Фазовый датчик

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛ ИСТИЧЕСНРЕСПУБЛИК 53 7(19) (И) 3 0 13/00 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ К А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(56) Авторское свидетельство СССР(57) Изобретение относится к областирадиотехнических измерений и можетбыть использовано в системах автома-.тической настройки радиоустройств,Целью изобретения является повышение точности измерения сдвига фаз в диапазоне 180и расширение динамического диапазона устройства. Для достижения поставленной цели в устройство,содержащее входные клеммы 1 и 2, фазовращатель 5 на 90 , перемножители6 и 7, интеграторы 8 и 9 и выходнуюклемму 16, дополнительно введены детекторы 3 и 4 нуля, компараторы 10 и11, аналоговый мультиплексор 12, управляемый повторитель-инвертор 13,источник 14 образцового напряжения ианалоговый вычитающий блок 15. Устройство по сравнению с прототипомобеспечивает более широкий диапазонизмеряемых сигналов, определяемыйтолько качественными параметрами детекторов нуля. 4 ил.07 ремножителя;Цьх(1:) - напряжение на первомвходе перемножителя;ЕЕ (1) - напряжение на. второмпхнивходе перемнсжителяЕсли входные сигналы Е)п,(с) и ) (с) представляют собой косинусоьхпидальные колебания одной частоты, то выходное напряжение перемножителя имеет вид: 113453Изобретение относится к радиотехническим измерениям и системам автоматической настройки радиоустройств.Целью изобретения является повьппе 5 ние точности измерения сдвига фаз в диапазоне +180 и расширение динамического диапазона устройства.На фиг.1 приведена схема фазового датчика; на фиг.2, 3 - характеристики фазового детектора; на фиг.4 характеристика фазового датчика.Фазовый датчик содержит входную клемму 1, входную клемму 2, детектор 3 нуля, детектор 4 нуля, фазовращатель 5 на 90 (ФВ 5 на 90 ), перемножитель 6, перемножитель 7, интегратор 8, интегратор 9, компаратор 10, компаратор 11, аналоговый мупьтиплексор (АМ) 12, управляемый повторитель с, инвертор (УПИ) 13, источник образцового напряжения (ИОН) 14, аналоговый вычитающий блок (АВБ) 15, выходную клемму 16.Входная клемма 1 соединена с вхо дом детектора 3 нуля. Входная клемма 2 соединена с входом детектора 4 нуля. Вьгход детектора 3 нуля соединен с входом ФВ 5 на 90 и первым входом перемнож.:,геля б. Выход детектора 4 нуля 30 соедипен с вторым входом перемножителя б и первым входом перемножителя 7, Выход ФВ 5 на 90" соединен с вторым входом перемножителя 7. Выход перемножителя б соединен с входом интегратора 8. Выход перемножителя 7 соединен с входом интегратора 9. Выход интегратора 8 соединен с входом компаратора 11. Вь;ход интегратора 9 соединен с вхоцом компаратора 10 и первым вхо дом УПИ 13. Выход компаратора 11 сое,цинен с первым входом АМ 12 и вторым вхоцом УПИ 13 Выход компаратора 10 соединен с вторым входом АМ 12, Третий и четвертый входы ЛМ 12 соедипе ны соответственно с первым и вторьп 5 выходами ИОЕ 1 14, Выход АМ 12 соединен с первым входом АВБ 15. Выход УПИ 13 соединен с гторым входом АВБ 15, Выход АВБ 5 соединен с выходной клеммойб ко горйЯ являегся выходом фазового датчика.Фазовый датчик работает следующим образом.Опорный сигнал подается на входную клемму 1. и далее поступает на цетектор 3 нуля, Последний фиксирует переходы опорного сигнала через нуль, при этом положительным значениям Опорного сигнала соответствует состояние "1" на выходе детектора 3 нуля, а отрицательным значениям опорного сигнала соответствует состояние пОп на выходе детектора 3 нуляВ фазовом датчике состоянию пОп соответствует напряжение, много меньшее напряжения отсечки кремниевых транзисторов, составляющих основу современной микросхемотехники, т;е. много меньшее 0,3-0,5 В, Напряжение "1" на выходе детектора 3 нуля должно намного превышать напряжение отсечки кремниевых транзисторов, т.е, должно быть много больше 0,3-0,5 В. Наличие таких уровней напряжения на выходах детекторов 3 и 4 нулей (детектор 4 куля идентичен детектору 3 нуля) необходимо для работы транзисторов перемножителей 6 и 7 в ключевом режиме, соответствующем нахождению этих транзисторов в процессе работы в двух состояниях: отсечки и насыщения.Прямоугольные импульсы, приближающиеся по форме к меандру, поступают с выхода детектора 3 нуля на первый вход перемножителя 6 и вход ФВ 5 на 90, а с выхода детектора 4 нуля на второй вход перемножителя б и первый вход перемножителя 7, на второй вход которого поступают задержанные по фазе на 90 С прямоугольные импульсы с выхода ФВ 5 на 90 . Перемножители 6 и 7 представляют собой аналого -вые перемножители сигналов, реализующие следующую функцию: ЕЕ, (Е) = ЬЕ, ,. П п(Е), (1) где П,(С) - напряжение на выходе перемножителя;- масштабный коэФФициент,зависящий от типа пе Г ь (С) =Ес Е)совью Е) дсОз(ы+Р) = 1307 35 3 1345 где П П - амплитудные значения ко 1 ф гсинусоидальных колебаний, поступающих на первый и второй входы пе 5ремножителя;- сдвиг фаз косинусоидаль-.ными колебаниями, поступающими на первый и второй входы перемножителя. 1 ОУстановленный на выходе перемножителя интегратор реализует функцию фильтра нижних частот и предназначен для фильтрации составляющей с удвоенной частотой 2 ю. С учетом этого на пряжение на выходе интегратора имеет вид 1 П,= - 1 с П,П сов у =П ,созбр, (3)1 где Пмахс,= 2 1"П 1 ПгВследствие четности функции косинуса одинаковым по абсолютной величине положительномуи отрицательному сдвигам фаз между колебаниями на пер вом и втором входах перемножителя соответствуют напряжения одной величины и одного знака. Характеристика фазового детектора, выполненного на перемножителе и интеграторе имеет 30 вид, показанный на фиг.2.При подаче на входы аналогового перемножителя импульсных колебаний прямоугольной формы напряжение на выходе интегратора имеет вид Г 7-- у( при О у(4) П - + Ч 1 при - М с О. им 2у где П - максимальное напряжение на40 Им выходе интегратора, зависящее от параметров перемножителя. Характеристика вида (4) представлена на фиг.З сплошной линией. Такая характеристика Фазового детектора более предпочтительна для проведения измерений сдвига фаз вследствие ее линейности, однако, она, как и характеристика, показанная на фиг.2, не позволяет однозначно определить знак сдвига Фаз,При подаче на один из входов перемножителя опорного импульсного ко 55 лебания прямоугольной формы, сдвинуотого по фазе на 90 , можно видоизменить Форму характеристики фазового детектора, показанную на Фиг.З сплошной линией, и привести ее к виду,показанному на фиг.3 пунктирной линией. Такая характеристика позволяетопределить знак сдвига фаз, но однозначный отсчет сдвига фаз возможенотолько в диапазоне от минус 90 до 90 .Цель изобретения - повышение точности измерений при измерении сдвигафаз в диапазоне г 180 - достигаетсяследующим образомПри наличии на выходе интегратора8 напряжения положительной полярности на выходе компаратора 11 присутст.вует напряжение "1", поступающее напервый вход АМ 12 и второй вход УНИ13. При этом УПИ 13 выполняет рольинвертора, т,е, меняет знак напряжения на первом входе на противоположный и передает напряжение без изменения абсолютной величины на выход,т.е. на второй вход АВБ 15, При наличии на первом входе АМ 12 "1" навыходе АМ 12, независимо от состояния остальных входов АМ 12, присутствует напряжение, равное нулю, АВБ 15производит следующую математическуюоперацию:П вЫх ЛВБ = П ах - П Вхг(5)где ПВ ВВ - напряжение на выходеЬых А БАВБ 15 и выходной клемме 1 б;П- напряжение на первомвходе АВБ 15;- напряжение на второмвходе АВБ 15.Таким образом, при указанном состоянии входов АМ 12 напряжение на выходе АВБ 15 определяется следующимобразом:П ВЫх АВБ= 0 ( П вых ив) =ПВых и 91 (6)где ПВ 6 х и 9- напряжение на выходе интегратора 9.При изменении сдвига фаз на входах фазового датчика в диапазонег 90 напряжение с выхода фазового детектора, образованного ФВ 5 на 90перемножителем 7 и интегратором 9,поступает непосредственно на выходФазового датчика,Рассмотрим случай сдвига Фаз навходе фазового датчика в диапазонеот 90 до 180. При этом на выходеинтегратора 8 присутствует напряжение отрицательной полярности (Фиг.З),на выходе компаратора 11 - напряжение "О", поступающее на первый входАМ 12 и второй вход УПИ 13. УПИ 13 вэтом случае не инвертирует входной(9) при при - с ч 7 2 Пим 11 Вых ич сигнал и передает его с первого входа на выход и на первый вход АВБ 15 без изменения, На выходе интегратора 9 присутствует напряжение положитель. ной полярности (фиг.З), а на выходе компаратора 10 - напряжение "1", поступающее на второй вход АМ 12. На третий и четвертый входы АМ 12 соответственно с первого и второго выходов ИОН 14 подаются два образцовых напряжения, равных минус 211 и 2 П При наличии на первом входе АМ 1 2 "0", а на втором входе АМ 12 - "1" на выходе АМ 12 присутствует напряжение, равное 2 П . При этом напряжение на выходе АВБ 15 определяется следующим образом:П бых ябв 2 Пим П бь(х иЯ (7) Рассмотрим теперь случай сдвига фаз на входе фазового датчика в диапазоне от минус 180 до минус 90, При этом на выходе интегратора 8 присутствует напряжение отрицательной Форма характеристики представлена на фиг,4, откуда видно, что характеристика Фазового датчика является линейной в диапазоне изменения сдвига фаз 180 и позволяет в этом диапазоне производить однозначный отсчет показаний величины и знака сдвига фаз. При этом для измерения абсолютной величины сдвига фаз используется только один фазовый детектор, образованный перемножителем 1, ФВ 5 на 90 и интегратором 9, а Фазовый детектор, образованный перемножителем б и интегратором 8, является необходимым только для определения диапазона изменения сдвига фаз и в количественном определении сдвига фаз участия не принимает, что позволяет определить точность измерения сдвига Фаз путем участия в количественных измерениях только одного фазового детектора.Динамический диапазон датчика определяется только чувствительностью детекторов 3 и 4 нуля, которая может быть весьма большой при использовании 5307 вполярности (фиг.З), а на выходе компаратора 11 - напряжение "0", поступающее на первый вход АМ 12 и второй вход УПИ 13. В этом случае УПИ 13 также не инвертирует входной сигнал и передает его с первого входа на выход и на первый вход АВБ 15 без изменения. На выходе интегратора 9 присутствует напряжение отрицательной полярности (фиг.З), а на выходе компаратора 10 - напряжение "0", поступающее на второй вход АМ 12При наличии на первом и на втором входах АМ 12 "0" на выходе АМ 12 присутствует напряжение, равное минус 2 П,При этом напряжение на выходе АВБ 15 определяется следующим образом;бых АЕБ 2 П им 11 бык ибф (8) Таким образом, в зависимости отзнака и величины сдвига Фаз сигналов на входах характеристику фазового датчика можно представить математически: в качестве детекторов нуля компараторов напряжения.35По сравнению с прототипом Фазовыйдатчик обеспечивает повышенную точность измерения сдвига Фаз в диапазоне 180 , поскольку при количественном измерении сдвига фаз используетсясигнал только с одного фазового детектора, образованного перемножителем и интегратором, а второй фазовыйдетектор используется только для оп-.ределения квадранта, которому соответствует измеряемый сдвиг фаз, Кроме того, обеспечивается однозначностьотсчета показаний при измерении сдвига Фаз в диапазоне 180(характеристика фазового датчика линейна и однозначна в диапазоне ",180 ), а такжеширокий динамический диапазон измеряемых сигналов, определяемый толькокачественными параметрами детекторовнуля еФормула изобретенияФазовый датчик, содержащий фазовращатель на 90 , первый и второй3453 чика,7перемножители и первый и второй интеграторы, первый вход первого перемножителя соединен с входом фазовращателя на 90, второй вход первого перемножителя соединен с первым входом второго перемножителя, выход фазовращателя на 90 соединен с вторым входом второго перемножителя, выходы первого и второго перемножителей сое динены с входами первого и второго интеграторов, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности измерения сдвига фаз в диапазоне ф 180 и расширения динамического 15 диапазона, в него введены два детектора нуля два компаратора, аналого/вый мультиплексор, управляемый повторитель-инвертор, источник образцового напряжения и аналоговый вычитаю щий блок, вход первого детектора нуля является первым входом датчика, а его выход соединен. с первым входом первого перемножителя, вход второго детектора нуля является вторым вхо 07 8дом датчика, а его выход соединен спервым входом второго перемнажителя,выход первого интегратора соединен свходом первого компаратора, выход которого соединен с первым входом аналогового мультиплексора и первым входом управляемого повторителя-инвертора, выход второго интегратора соединен с входом второго компаратора ивторым входом управляемого повторителя-инвертора, выход второго компаратора соединен с вторым входом аналогового мультиплексора, третий ичетвертый входы которого соединенысоответственно с первым и вторым выходами источника образцового напряжения, выход аналогового мультиплексора соединен с первым входом аналогового вычитающего блока, выход управляемого повторителя-инвертора соединен с вторым входом аналогового вычитающего блока, выход которого является выходом фазового дат1345307 4 Ф"С,.3 Составитель С,1(у Техред .П.Олийнык ак то р Н . С лоб одяни оррект ла Производственно-полиграфическое предприятие,г.ужгород,у ктная,Заказ 4930/53 Тираж 900 ВНИИПИ Государственног по делам изобретений 113035, Москва, Ж, Подписнокомитета СССРи открытийауиская наб д.4/5