Аналого-цифровой преобразователь сдвига фаз

Союз СоветсникСоциалистическихРеспублик ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ о 11955519 е,(23) Приоритет -31 М. Кл.з Н 03 К 13/20 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытийОпубликовано 300882, Бюллетень М 32 Дата опубликования описания 300882(72) Авторыизобретения Ю.А. Смагин, Н.П. Смирнова, Еф. Трифонов и М.П. Шадрин пензенский завод-верз прн заводе вЭМ (ФнлдепПензенского политехнического институт(54) АИАлОЪ-цифроВой преоВРАзоВАтелСДВИГА ФАЗ Изобретение относится к аналогоцифровой технике и может быть использовано в устройствах преобразования сдвига фаз двух электрических сигналов в цифровой код.По основному авт. св. Р 788376 известен аналого-цифровой преобразователь сдвига фаз, содержащий генератор образцовой частоты, .два ключа периода и временного сдвига, два Формирователя исследуемых сигналов, блок выбора режима, двоичный делитель частоты, состоящий из двух счетчиков и элементов И, блок функционального преобразования частотного сигнала, содержащий двоичный умножитель частоты, счетчик результата и блок задания начальных точек аппроксимации, причем выходы формирователей подключены к входам блока выбора режима, входы обоих ключей соединены с выходом генератора образцовой частоты, а управляющие входы - с первым и вторым выходами блока выбора режима, а выходы - соответственно с входами первого и второго счетчиков, входы элементов И соединены с выходами первого счетчика, выходы - с входами второго счетчика, а управляющие входы - соответственно с третьим выходом блока выбора режима и выходом второгосчетчика, вход блока Функционального преобразования.частотного сигнала соединен с выходом второго счетчика 1 .Недостатком известного устройства является ограниченный диапазонпреобразования в код малых сдвиговфаз из-за большой погрешности дискретности при цифровом измеренйи короткого интервала времениЦель изобретения - расшиерениедиапазона преобразования в сторонумалых сдвигов Фаэ при обеспечениитребуемой погрешности измерения.Поставленная цель достигаетсятем, что в аналого-цифровой преобразователь сдвига Фаз, содержащийпервый и второй, счетчики, два формирователя, выходы которых подключены к входам блока выбора режима, два ключа периода и временногосдвига, входы которых соединены с 25 выходом генератора образцовой частоты, управляющие входы которыхсоединены с первым и вторым выходами блока выбора режима, а выходы -соответственно с входами первого 30 и второго счетчиков, входы пер 95551925 55 вых элементов И соединены с выхода.ми, первого счетчика, выходы - свходами второго счетчика, .а управляющие входы - соответственно стретьим выходом блока выбора режима и выходом второго счетчика, и 5блок функционального преобразования частотного сигнала, вход которого соединен с выходом второгосчетчика, введены счетчик тактов,реверсивный счетчик, вторые элементы И, формирователь импульсови три триггера, входы первого ивторого триггеров соединены с выходами входных формирователей, выходю их подключены к входам третьего триггера, причем выход первоготриггера через счетчик тактов иформирователь импульсов соединенс блоком выбора режима и управляю щим входом вторых элементов И, выходы последних подключены к входампервого счетчика, а входы через реверсивный счетчик - к выходам третьего триггера, выход генератора,образцовой частоты соединен с третьимвходом реверсивного счетчика,На Фиг. 1 приведена структурнаясхема устройства; на фиг. 2 - графики зависимости Ю =С( Т); на фиг. 3 -временные диаграммы его работы.Аналого-цифровой преобразовательсдвига Фаз содержит генератор 1 образцовой частоты, формирователи 2и 3 импульсов исследуемого и опорного сигналов, триггеры 4 - б, ключ 7временного сдвига, блок 8 выбора 35режима, ключ 9 периода, счетчик 10тактов, формирователь 11 импульсов,реверсивный счетчик 12, вторые элементы И 13, двоичный делитель 14частоты, состоящий иэ первого счетчика 15, первых элементов И 1 б, второго счетчика 17, а также блок 18функционального преобразования частотного сигнала, состоящий из двоичного умножителя 19 частоты, блока 20 45задания начальных точек аппроксимации и счетчика 21 результата.Работа устройства при измерениималых сдвигов фаз основана на ицифровых измерениях сопрокасающихся интервалов времени (Т+) и(1- ) и вычитании последних изпервых. Считая значение пизвестным в Функции его величины, осущес)влявт аппроксимацию гиперболичесЯ 1,кой зависимости= Т экспоненциальными участками.При преобразовании в код больщихсдвигов фаз осуществляют цифровоеизмерение одного интервала 7 и, 60считая известным в функции его величины, производят аппроксимацию гиперболической зависимостилэкспоненциальными участка 65 ми, т.е. работа преобразователя в этомслучае аналогична работе известногопреобразователя.Преобразователь работает следующимобразом.В исходном состоянии ключи 7 и 9закрыты, счетчики 12 , 15 и 17 находятся в нулевом состоянии, в управляющий счетчик двоичного умножителя19 частоты записывается некотороечисло йн, определяемое диапазономи точностью аппроксимации, в счетчик21 результата заносится число Кс,с,соответствующее максимальному значению измеряемого сдвига фаз ч .На входы формирователей 2 и 3импульсов поступают напряжения исследуемого О и опорного Ор сигналов. На выходе этих Формирователей вырабатываются управляющиеимпульсы, время появления которыхсинфазно с моментами переходов напряжений О и Ор через нуль(фиг. За,б).При преобразовании малых сдвиговфаз в код блок 8 выбора режима закрывает клвч 7 временного сдвигана весь цикл измерения ц, а в счетчик 10 тактов записывает дополнительный код числа п, т.е. (М-п),где М - числовая емкость счетчика 10тактов, а и - число периодов усреднения и зависит от требуемой погрешности измерения 1, оно равно 2",2 32, 2, , 2В течение первого такта работыпреобразователя производят усреднение и цифровых измерений интерваловвремени. В этом случае при поступлении импульса напряжения О свыхода формирователя 2 по счетномувходу срабатывает первый триггер 4и на его нулевом выходе появляется"1 ф (фиг, Зв). С приходом импульсанапряжения Ор с выхода Формирователя3 по счетному входу срабатывает второй триггер 5 и на его единичномвыходе появлется "Оф (Фиг. Зг). Передним фронтом импульса триггер 4 перебрасывает в "1" третий триггер б, апередним Фронтом импульса триггера 5он возвращается в исходное состояние(фиг. Зд). Триггер б управляет суммирукщим и вычитающим входами реверсивного счетчика 12. В течение времениТ+реверсивный счетчик 12 работает на сложение и суммирует импульсы генератора 1 образцовойчастоты (фиг. Зд). В реверсивном.счетчике 12 Фиксируется число импульсов, равное где Г = / - частота генератора 11р робразцовой частоты.В течение интервала Т в ". реверсивный счетчик 12 работает нд вычитание и из него вычитается числоимпульсов, равное(2) М 2 (Т - ) ГСледовательно, за два периода Т исследуемого сигнала О в реверсйвном счетчике 12 фиксируется число импульсов, равное или с учетом выражений (1) и (2) М -г " К,За и периодов исследуемого сигнала в реверсивном счетчике фиксируется число, равное Импульсы частоты Г поступают на вход блока 18 функционального преобразователя частотного сигнала. В качестве узла, воспроизводящего экспоненциальную частоту в функции Мл =иГ . (3) Число и фиксируется счетчиком 10 тактов путем суммирования выходных импульсов триггера 4. Так как в счетчике 10 тактов записано число (М-п), то при поступлении и импульсов сигнала 01, на выходе счетчика 10 тактов появляется импульс переполнения. По импульсу переполненияФормирователь 11 импульсов вырабатывает импульс длительности % с со на управляющий вход вторых элемейтов И 13 для переписи содержимого реверсивного счетчика 12 в первый счетчик 15, а также на блок 8 выбора режима для начала второго такта работы, в течение которого за интервал Т-производится аппроксимация гиперболической зависимости у= и/ .Для этой цели блок 8 выбора режима открывает ключ 9 периода на время (Т - ) и импульсы образцового генератора 1 через этот ключ поступают во второй счетчик 17 (фиг. Зе). При поступлении во второй счетчик 17 числа импульсов частоты 1 д, равного Мл, на его выходе формируется импульс частоты Г, который поступает на двоичный умножитель 19 частоты. Одновременно по этому импульсу через первые элементы И 16 число .Мл из первого счетчика 15 в обратном коде переписывается во второй счетчик 17, т.е, в последний заносится число. (й -й, ), где Йо - числовая емкость каждого из счетчиков 15 и 17. Следовательно, на выходе двоичного делителя 14 частоты формируется импульс с частотой с 1 = й/ М Учитывая выражение (3) частотат / л1времени с используется .двоичный умножитель 19 частоты, охваченный отрицательной обратной связью, частота импульсов на выходе которого определится как/где й - числовая емкость управляющего счетчика двоичногоумножителя,с - текущее время.Импульсы частоты Г(с)с двоичного умножителя 19 частоты (фиг. Зж) в течение интервала Т в . поступают на входы счетчика 21 результата. Число импульсов, зафиксированное счетчиком 21 результата, к концу интервала Т -представляется следующим образом: 10 в функции его величины, осуществляютаппроксимациюгиперболической зависимости с = " экспоненциальнымиучастками. Для этой цели блок 8 выбора режима выдает запрещающий сигнална формирователь 11 импульсов иоткрывает ключ 7 временного сдвигана интервал с, пропорциональныйизмеряемому сдвигу фаз, ц. За время открытого состояния клича 7 навход счетчика 15 поступает числоимпульсов й- ь 1 О, Одновре 55 40 65 20Мвымас(с) дс.Подставив в это соотношение значение частоты Г(с) из выражения (4),получимт,При накоплении в счетчике 21 результата заранее заданного числа З 0 импульсов, соответствующих одной изначальных точек аппроксимации, блок20 задания начальных точек аппроксимации переводит двоичный умножи:Гтель 19 в новое состояние йн, соот ветствующее началу аппроксимированиянового участка гиперболической функции Ч = ." . Из выражения (5) виЯ 1 о,что выбирая соответствующим образомзначения М,с и йсц , можно получать код сдвига фаз непосредственнов градусах или радианах. Путем переноса запятой в счетчике 21 результата влево на =одоп разрядов осуществляется деление числа йв на о, 45 Поэтому окончательный результат цифрового кода равен измеряемому значению сдвига фаз с .При измерении бсщьших сдвигов фазпроизводят однократное измерение в 50 течение одного периода Т интервалаь, а затем в течение промежуткаТу считая интервал 6 известнымменно с закрытием ключа 7 блок6 выбора режима вырабатываетсигнал на открытие ключа 9 периодаи сигнал на первые элементы И 16, покоторому число Н из первого счетчика 15 переписывается в обратном "5коде во второй счетчик 17.Дальнейшая работа преобразователяаналогична работе при измерении малых сдвигов фаэ. В этом случаеизмерение сдвига фазпроизводит Ося за один период исследуемого сигнала, что позволяет уменьшить динамическую погрешность измерения ,Таким образом, при измерении малых,сдвигов фаэ 9 повышается точность измерения 9, за счет уменьшения погрешности дискретности, таккак осуществляется цифровое измерение интервалов (Т) и (Т - ,),а не интервалас Т,20Формула изобретенияАналого-цифровой преобразовательсдвига фаз по авт. св. Р 788376,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,с целью расширения диапазона преобразования в сторону малых сдвиговфаэ, в него введены счетчик тактов,реверсивный счетчик, вторые элементы И, формирователь импульсов и тритриггера, входы первого и второготриггеров соединены с выходамивходных формирователей, выходы ихподключены к входам третьего триггера, причем выход первого триггерачерез счетчик тактов и формировательимпульсов соединен с блоком выборарежима и с управляющим входом вторых элементов И, выходы последнихподключены к входам первого счетчика, а входы через реверсивный счетчик - к выходам третьего триггера,выход генератора образцовой частотысоединен с третьим входом реверсивного счетчика.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1, Авторское свидетельство СССРУ 788376, кл. Н 03 К 13/20, 30.01.79,9555199 Ьй.У ИИПИ Заказ 6474/76 Тираж 959 . Подпионо лиал ППП "Патент", г.Ужгород, ул,Проектная