Цифровой фазометр-частотомер

(72) В.П.Кручинин и Л.Б,Розенбаум (71) Куйбышевский институт инженеров железнодорожного транспорта (53) 621.317.77(088.8)(56) Авторское свидетельство СССР )- 824073, кл. С 01 К 25/08, 1979.Авторское свидетельство СССР 9 805199, кл. С 01 к 25/08, 1979. (54) (57) ЦИФРОВОЙ ФАЗОМЕТР-ЧАСТОТОМЕР, содержащий первый и второй фор" мирователи, генератор импульсов фиксированиой,частоты, первый и второй аналоговые ключи, компаратор и источник опорного напряжения, о т л и ч а ю щ и,й с я тем, что, с целью расширения частотного диапазона и повышения точности, в него введены первый и второй регистры па-. мяти, у которых выходы соединены с соответствующими входами первого и второго введенных резистивных цифроаналоговых преобразователей двоичный счетчик, первый вход которого соединен с первым выходом первого формирователя, второй вход - с выходом генератора импульсов фиксированной частоты, а его кодовый вь- ход - с вторыми входами первого и второго регистров памяти, при этом второй выход первого формирователя соединен с первым входом первого регистра памяти, а выход второго формирователя соединен с первым входом второго регистра памяти, стартовая цепь, состоящая из последовательно соединенных триггера и элемента И, второй вход которого сое динен с вторым выходом первого формирователя, вход триггера соединенс первым выходом первого формирователя, измерительная мостовая схема, вдиагоналях которой включены источник опорного напряжения и коммутатор, а в плечах .мостовой схемы - тривесовых резистора, резистивные цепирезистивных цифроаналоговых преобразователей, декодирующая сетка сопротивлений аналого-цифрового преобразователя и два аналоговых ключа,причем к первой клемме источникаопорного напряжения подсоединеныпервая клемма первого резистивного вателя иетьего вецифроаналогового преобразо первые клеммы первого и тр совых резисторов, к второи источника опорного напряж соединены вторая клемма д сетки сопротивлений анало вого преобразователя и вых клемме ения подкодирующей о-цифроод первого аналогового ключа, два входакоторого соединены соответственнос вторыми клеммами второго резистивного цифроаналогового преобразователя и второго весового резистора,первые клеммы которых соединены свторой клеммой первого резистивногоцифроаналогового преобразователя ипервой входной клеммой компаратора, вторая входная клемма которогосоединена с первой клеммой декодирующей сетки сопротивлений аналогоцифрового преобразователя и выходомвторого аналогового ключа, два входакоторого соединены с вторыми клеммами первого и третьего весовых ре-;зисторов, управляющие входы анало.говых ключей соединены с вторым.1173342 выходом аналого-цифрового преобразователя, у которого первый ( кодовый ) выход является выходом устрой"11Изобретение относится к цифровойизмерительной технике и предназначено для одновременного измеренияфазовых соотношений и частоты исследуемых сигналов в широком диапазоне частот, Целью изобретения является расширение частотного диапазона и повышение точности фазометра-частотомера, путем применения вместо аналоговых преобразователей время"напряжение элементов дискретной техники(счетчик, регистры памяти, ЦАП иАЦП ), которые обладают более высокой точностью преобразования сигнала, стабильностью характеристик вовремени, не требуют настройки и расширяют частотный диапазон в областьинфранизких частот.На фиг. 1 приведена структурная 20схема цифрового фазометра-частотомера; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие его работу,Устройство условно делится навходной и выходной блоки. 25Входной блок содержит стартовуюцепь, состоящую из триггера 1 и .элемента И 2, а также включает первыйформирователь 3, двоичный счетчик 4,генератор 5 импульсов фиксирован- З 0ной частоты (ГФЦ ), первый регистр 6памяти (первый канал ), второй формирователь 7 и второй регистр 8памяти (второй канал ). 35Выходной блок содержит первый9 и второй 1 О реэистивные цифроана.логовые преобразователи (ЦАП ), пер- вый весовой резистор 11 цикла измерения фазового сдвига, управляемый 40 аналого-цифровой преобразователь 12 , (АЦП ), компаратор 13, источник 14 опорного напряжения, первый 15 и второй 16 аналоговые ключи коммутатора циклов, второй 17 и третий 18 весо вые резисторы цикла измерения частоты сигнала. ства, первый вход соединен с выходом компаратора, а второй вход - свыходом элемента И. 2Входная клемма 19 соединена.с входом первого формирователя 3, первый выход которого соединен с входом триггера 1 и первым входом двоичного счетчика 4, второй вход которого соединен с выходом генератора 5 им- . пульсов фиксированной частоты. Кодовый выход двоичного счетчика 4 соединен с вторыми входами первого 6 и второго 8 регистров памяти. Второй выход первого формирователя 3 соединен с первым входом первого 6 регистра памяти и вторым входом элемента И 2, первый вход которого соединен с выходом триггера 1Входная клемма 20 соединена с входом второго Формирователя 7, выход которого соединен с вторым входом второго 8 регистра .памяти, Выходы первого 6 и второго 8 регистров памяти соединены с соответствующими вхо- . дами первого 9 и второго 10 резис- . тивных цифроаналоговых преобразователей выходного блока.Выходной блок содержит измерительную мостовую схему, в одной диагонали которой включен источник 14 опорного напряжения, у которого первая клемма соединена с первой клеммой первого 9 реэистивного ЦАП и первыми клеммами первого 11 и третьего 18 весовых резисторов, а вторая клемма источника 14 - с выходом первого 15 анапогового ключа и второй клеммой декодирующей сетки сопротивлений АЦП 12, первый вход которого соединен с выходом ком паратора 13, у которого первая входная клемма соединена с второй клеммой первого 9 резистивного ЦАП, с первой клеммой второго 10 резистивного ЦАП и первой клеммой второго 17 весового резистора, причем вторые клеммы двух последних (1 О и 17 ) соединены с соответствующими входами первого 15 аналогового ключа, вторая входная клемма компаратора13 соединена с первой клеммой декодирующей сетки сопротивлений АЦП 12 и с выходом второго 16 аналогового ключа, входы которого соединены соответственно с вторыми клеммами 5 первого 11 и третьего 18 весовых резисторов. Выход элемента И 2 соединен с вторым входом АЦП 12, кодовый выход которого является выходом устройства, а управляющий выход соединен с управляющими входами первого и второго аналоговых ключей,Согласно фиг.2 приняты следующие обозначения:Б- частота и напряжение сиг 5налов на выходе генератора импульсов фиксированной частотыГФЧ 1;Б ,Тх - напряжение и периодопорного сигнала, .поступающего на клемму, 19;П ,- напряжение и временнойинтервал, соответствующий фазовому сдвигу сигнала второго канала склеммы 20 относительно.опорного;Б ,Пф - напряжение с выходов форф 1 Умирователей 3 и 7, состветственно; 30- период следования импульсов ГФЧ;И - число импульсов ГФЧ заодин период Тх опорногосигнала; 35п - число импульсов ГФЧ заинтервал времени 2,Х, соответствующий измеряемойразности фаз.Временные соотношения между пе риодом импульсов ГФЧ и сигналами формирователя 3 на его первом Бф 1(1) и втором 1(2) выходах показаны на фиг.2 б.45Принцип работы устройства основан на преобразованиях измеряемой разности фаз Ч и частоты сигналов Г во временные интервалыи Тх, которые запопняются квантующими импуль 50 сами ГФЧ, а полученные коды чисел и и М цифроаналоговыми преобразователями преобразуются в величины сопротивлений плеч мостовой схемыВыбор вес.овых рсзисторов (Е 1 и К = 5511 =21) и коэффициентов градусной и частотной шкал АЦП производится из следующих соображений. При измерении разности фаэ 1 уравнение баланса моста имеет вид:к цдп 1 о В 1ДЦП 12 К ЦЛП 9оложить ф что4 цп 12 191 ш фЦЛП 10 91 П ЦЛП 9 91 ф где К - величина сопротивлениямладшего разряда АЦП иЦАП;ш - код числа АЦП при измерении Чх;п - код числа импульсов заинтервалИ - код числа импульсов эа интервал Тто уравнение баланса примет вид:иР ш = - К91иТак как Ч= в360, то при - = когда Чх=360,положим Е =Р М.Для1 91 того чтобы результат уравновешивания выражался в градусах, необходимо чтобы М=360 ( или в общем случае М= :3, 6 х О, где 1.=1,2, ) . Тогда величина весового резистора будет равна 360 КПри измерении частоты Е уравнение баланса имеет вид:2К 17 К 11 К 11ЛЧП 12 Р цдП 9 к Я31 Учитывая, что И = Т /С где Т - пеХ ф - период измеряемого сигнала, С - период следования импульсов генератора 5 фиксированной частоты,.уравнение баланса можно записать м= ( = - =у1 12 131 17 Т Х 1к/где М - код числа АЦП при иэмереХИз последнего выражения., приняв2 29 что К = Р / Р, 1 получим1З 1 7 фгде придавая коэффициенту К значения 1,10 и т.д. голучим значения сопротивления К 1 для различных масштабов измерения частоты.Таким образом, разрешающая спо-, собность фазометра-частотомера при его работе в широком диапазоне частот и сдвигов сигналов будет определяться частотой импульсов ГФЧ,Устройство работает следующим образом.При включении питания двоичный счетчик 4, первый 6 и второй 8 ре 1173342гистры памяти, первый 9 и второй 10 резистивные ЦАП, декодирующая сетка АЦП 12 устанавливаются в нулевые положения, при этом состояние триггера 1 характеризуется нулевым выходом. Импульсы с выхода ГФЧ.5 не проходят на двоичный счетчик 4, так как отсутствует команда разрешения с формирователя 3 на их прохождение, В выходном блоке ключи 15 и 16 будут включены таким образом, что плечами измерительно-вычислитель ной мостовой схемы будут являться ЦАП 9 и ЦАП 10, весовой резистор 11 и декодирующая сетка сопротивлений АЦП 2. Исследуемые сигналы, характеризующиеся одинаковой частотой Е(периодом следования Т ) и некоторым углом сдвига фаз Ч(который соответствует временному интервалу С)одновременно с клемм 19 и 20, поступают соответственно на первый,3 и второй 7 формирователи входногоблока. Как первый 3, так и второй 7 формирователи фиксируют только моменты перехода из отрицательной области значений напряжений входных сигналов в положительную, при этом формирователь 7 вырабатывает один короткий, а формирователь 3 - два коротких по длительности импульса, сдвинутых по времени и относительно друг друга на время меньшее, чем длительность периода 1 следования импульсов ГФЧ 5 (фиг.2 б),При срабатывании формирователя 3 первый из двух формируемых им импульсов с его второго выхода поступит на второй вход первого регистра памяти 6 в качестве команды переписи в него кода иэ двоичного счетчика 4. Поскольку в момент включения двоичный счетчик 4, регистры 6 и 8 памяти,. резистивные ЦАП 9 и ЦАП 10 находились в нулевых состояниях, то этот импульс не изменит их состояний, Одновременно этот же импульс единичным сигналом пос-. тупит на второй вход элемента И 2, на первом входе которого будет присутствовать нулевой уровень с триггера 1. Такая ситуация исключает запуск АЦП 12 в момент включения устройства, Далее второй формируе мый формирователем 3 импульс с его первого выхода поступит на первый вход двоичного счетчика 4 в каче-.5 ГФЧ 5. Одновременно этот же импульс поступит на вход триггера 1 для из 0 15 20 50 дится включение АЦП 12 для уравно 30 35 40 45 стве команды сброса предыдущей записи и начала нового счета импульсовпоступающих на его второй вход от менения его выхода на единичный и подготовки к запуску АЦП 12, Заполнение двоичного счетчика 4 импульсами ГФЧ 5 будет происходитьв течение одного полного периода Топорного сигнала, при этом в момент перехода из отрицательной вположительную область значений напряжения входного сигнала с клеммы 20 сработает формирователь 7 исформирует на своем выходе один короткий импульс, используемый в качестве команды на разрешение записи из двоичного счетчика 4 во второй 8 регистр памяти кода числа импульсов и, зафиксированного к этому моменту от начала счета. Поскольку момент начала счета соответствует начальной фазе напряжения опорного сигнала с клеммы 19 а мо) мент записи результата счета во второй 8 регистр. памяти соответствует начальной фазе напряжения сигнала второго канала с клеммы 20, то число импульсов и, зафиксированное двоичным счетчиком 4 за этот интервал времени Г будет соответствующим образом отображать разность фазнапряжений входных сигналов. Далее код числа и с выхода второго 8 регистра памяти поступает на вход ЦАП 10, где преобразуется в величину сопротивления, соответствующую коду этого числа. По окончанию первого периода Т опорного сигнала импульсом с первого выхода формирователя 3 производится перепись кода числа Н импульсов ГФЧ 5, зафиксированного счетчиком 4, в регистр 6 памяти с последующим его преобразованием ЦАП 9 в соответствующую величину сопротивления, Этим же импульсом через элемент И 2 произвовещивания измерительно-вычислительной мостовой схемы при определении разности фазисследуемых сигналов. Вторым импульсом с второго выхода формирователя 3 (сразу же после переписи кода в регистр 6 ) производится сброс двоичного счетчика4 и его новое начало счета.АЦП 12, уравновесив мостовую схе-. му и зафиксировав на своем первом выходе результат измерения сигналом с второго своего выхода через аналоговые ключи 15 и 16 произведет выключение ЦАП 1 О, весового резистора 11 и включение в мостовую схему двух одинаковых резисторов 17 и 18. Далее, производя второе уравновешивание и зафиксировав результат измерения частоты исследуемых сигналов Г на своем первом выходе.АЦП 12 сигналом с второго своего выхода через аналоговые ключи 15 и 16 возвратит измерительно-вычислительную мостовую схему в исходное .состояние для проведения следующего цикла измерений, данные для которого, начиная с момента 10 включения АЦЛ 2, начали, формироваться узлами входного блока.у1173342 ие. 3 Составитель Ю.МакаревичРедактор А. Гулько .Техред СЛигунова .Корректор Е.Сирохма Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,аказ 50474.ь Тираж 748 ВНИИПИ Государственного коми по делам изобретений и о 113035, Москва, Ж, Раушс