Цифровой компенсационный фазометр

) (11) 1 К 25 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН АВТОРСКОМУ СВЙДЕТЕЛЬСТВУ(57) Изотельной О ВОЙ ОННЬЙ ФАЗО ие о тно сит ся к измери - е и может быть испольак устик е, дефектоскох дистанции и других и техники, где необхо фазовый сдвиг двух расигналов (радиоимпульразнесены либо смещены ник вано идро ения пии, изм областях ять димо изм иоимпульсных ов), которые ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР во времени относительно друг друга,/ Целью изобретения является расширение диапазона измерений и повышение точности. Цифровой компенсационный Фазометр содержит.два идентичных канала 1 и 2, каждый из которых выполнен в виде аналогового регистра 3 сдвига и переключателя 4, коммутатор 5, индикатор 6 нулевого Фазового сдвига, синтезатор 7 частоты, вычислитель 8, цифровой индикатор 9 и два Фильтра 10 и 11 нижних частот. В предложенном Фазометре отсутствуют мертвые зоны и повышена его точность. Фазометр может бь.ть использован для контроля параметров радиоимпульсных и локационных систем, работающих с фазированной антенной решеткой в области звуковых и ультразвуковых частот.2 з.п. Ф-лы, 3 ил.ЪИзобретение относится к измерительной технике и может быть примененов гидроакустике, дефектоскопии, дальнометрии и других областях науки итехники, где необходимо измерятьфазовый сдвиг двух радиоимпульсныхсигналов (радиоимпульсов), которыеразнесены либо смещены во временидруг относительно друга. 10Цель изобретения - расширение диапазона измерений и повышение точностии.На Фиг. 1 приведена структурнаясхема предлагаемого Фазометра; на 15Фиг, 2 - Функциональная схема вычислителя; на фиг. 3 - Функциональнаясхема синтезатора,Цифровой компенсационный фазометрсодержит два идентичных канала 1 и 202 каждый из которых выполнен в видеаналогового регистра 3 сдвига (АРС)и переключателя 4, коммутатор 5, индикатор 6 нулевого фазового сдвига,синтезатор 7 частот, вычислитель 8, 25цифровой индикатор 9 и два фильтра10 и 11 нижних частот (ФНЧ). Канал1 (2) имеет сигнальный вход 1.1 (2.1)первый 1,2 (2,2) и второй 1.3 (2.3)управляющие входы и выход 1,4 (2.4). ЗОКанал 2 имеет также дополнительныевыходы 2. 5. Синтезатор 7 частотыимеет три входа 7.1-7.3 и четыре выхода 7.4-7,7, Вычислитель 8 имеетвходы 8,1-8.3 и выходы 8.4 и 8,5,Вход 1.1 канала 1 соединен с входом8.1, вход 2.1 - с входами 7.3 и 8.2,входы 1,3 и 2,3 - с выходом 7,5 синтезатора 7, выход 7.4. - с входом 1,2,выход 7,6 - с входом 2.2, выход 7.7 в ,10с входом 8,3 вычислителя 8, выход8.5 - с управляющим входом коммутатора 5, выход 8.4 - с входом цифровогоиндикатора 9, выход коммутатора 5 -с входом ФНЧ 10, выход 1,4 - с входом 5ФНЧ 11, входы нуль-индикатора 6 - свыходами ФНЧ 10 и 11, выходы нульиндикатора 6 - с входами 7,1 и 7,2,выходы 2.4 и 2.5 - с входами коммутатора 5. В каждом канале, напримервтором, вход 2.1 соединен с сигнальным входом АРС, вход 2,2 - с объединенными тактовым входом аналоговогорегистра 3, входом стробирования ивхоцным контактом переключателя 4,вход 2,3 - с вторым входным контактом переключателя 4, выход которогосвязан с входом считывания регистра3, Связи выход 7.7 - вход 8,3, выхо-. ды 8,4 и 8.5 - входы цифрового индикатора 9 коммутатора 5 являются кодовьки шинами.Вычислитель 8 содержит (фиг. 2) делитель 12 чисел, вычитатель 13, перемножитель 14 чисел, формирователь 15 импульсов, счетчик 16 с предустановкой и задатчик 17 кодов,; Делитель 12,вычитатель 13 и перемножитель 14 соединены последовательно и включены между входом 8,3 и выходом 8.4 вычислителя 8, Формирователь 15 установлен на входах 8.1 и 8.2 Счетчик 16 включен между выходом Формирователя 15 и выходом 8,5, который подсоединен также к второму входу вычитателя 13. Выходы вадатчика 17 кодов подсоединены к вторым входам делителя 12, перемножителя 14 и счетчика 16,Синтезатор 7 содержит кодоуправляемые уножители 18 и 19 частоты, делитель 20 частоты, реверсивный счетчик 21 и задатчик 22 кодов. Умно- жители 18 и 19 включены между входом 7,3 и вьглодами 7,4 и 7.6 делитель 20 - между выходами 7,6 и 7.5, счетчик 21 - между входами 7.1 и 7.2 и выходом 7,7, последнии соединен также с кодовым входом умножителя 19., Выходы задатчика 22 кодов соединены с кодовыми входами умножителя 18; делителя 20 и счетчика 21.В основе работы фазометра лежит принцип совмещения во времени двух исходных несовпадающих во времени радиоимпульсов путем соответствующего регулирования (компенсвции) задержки одного из них либо обоих одновременно. Такая возможность имеет место при выполнении каждого канала Фаэометра в вице аналогового регистра сдвига.Цифровой фазометр реализует ком пенсационный метод измерения Фазово го сдвига двух входных сигналов и имеет два режима работы - без (первый) и с преобразованием частоты входных сигналов. Рассмотрим работу Фазометра в первом режиме (переключатель 4 находится в положении, показанном на Фиг. 1),На сигнальный вход канала 1 поступает входной радиоимпульс 11, (1), а на вход канала 2 - Ь (С). Пусть радиоимпуль сы имеют одинаковую длитель" ностьсмещения во времени, т. е. имеют вид472844 1 (с) О, при остальных з 1 иу (с сг) 7 Дпри с (с(ь +с П (с) О, при о стальных где С сг - моменты времени, соответствующие началам первого и второго радиоимпульсов, причем У = 2Р - угловая частота колебания, заполняющего радиоимпульсы.Измерению подлежит кумулятивный фазовый сдвиг радиоимпульсов, т.е. величина, равная разности аргументов, 20 т еУб(Сг С ) ( Ч 22 Ч ) ДлЯ простоты последующих математических выкладок пусть и, - число разрядов аналогового регистра сдвига, 11 число отводов регистра 3, и, - число 25 разрядов между отводами, Гг - частота следования импульсов на выходе 7.6 синтезатора и интервал (С -С 1) удовлетворяют соотношениям и, = и 11,; Гг = КР (Кг - целое число); и = 30 = Кг (Сг - С, ) Р = И - целое число,В первом такте осуществляется компенсация кумулятивного фазового сдвига (временного смещения огибающих радиоимпульсов) грубо, с точностью,35 например, до одного периода заполнения, т.е. до Т = 1/Р. В вычислителе путем подсчета периодов 1/Р измеряется интервал С в . С т.е. определяется число 11. Коммутатор 5 под дейст вием кодового сигнала И, -И с выхода пп 2 Р(п-пп )-ц, прис с пп+с Уп (с) = О, при остальных в 1 и 2 Р(с-сг,)-ЦД, при с, с с с+с,Бг, (с) О, при остальных где К = с,/Р.Аналогично для сигнала на другомвходе индикатора2 РСг +Ч = 2 Р С ++2 М+ 2 иг/Кг + Ча,где с= с, + и,/Е,;После подстановки сг = с, + И/Р вг полУчают Сг = С + 1/Р + и 2/ап 55 Подставляя С, в аргумент В (С) и отбрасывая осцилирующий член, получают начальную фазу у, сигнала У(С) . на входе индикатора 6, т,е. 8.5 вычислителя подсоединяют вход фильтра 10 к (И-И)-му отводу регистра 3, для которого число разрядов равно иг = и, - Е Х. Синтезатор 7 в первом такте вырабатывает по выходу 7.4 юпульсы, следующие с частотой Г = Г . Импульсы с выходов 7,4 и 7.6 поступают на первые тактовые вхо. ды 1.2 и 2,2 каналов. В первом такте вход стробирования (записи), тактовый вход и вход считывания регистра 3 объединены и подключены к первому.стактовому входу канала.Под действием тактовых импульсов в регистр каждого канала записывает-. ся, продвигается к выходу .и считывается на выходы входной радиоимпульс, Работа регистра 3 аналогична работе цифрового регистра сдвига с той разницей, что в нем циркулир 2 ют не 011и1 ", а зарядовые пакеты, про по рциональные выборкам входного сигнала в моменты действия импульсов н а входе стро 6 нров ания , Таким образом , на выходах каналов (выход последнего и и - го для регистра канала 1 и выход и -г го для регистра канала 2) формируются ступенчатые копии входных радиоимпульсов, первые гармоники которых на выходах фильтров 11 и 10 имеют вид (без учета задержек в ФНЧ)."и472844 ВО втором режиме Фазометр обеспечивает преобразование основной частоты входных сигналов. Переключатели .4 в каналах в этом режиме устанавливаются в положение, противоположное указанному на Фиг. 1. При этом короткие импульсы с дополнительного выхода .5 синтезатора поступают на входы считывания регистра 3. Частота коротких импульсов выбрана отличающейся от частоты Р заполнения радио Фазовый сдвиг задержанных сигналов 4 - г - 4, - 2 Н+ 2 и (и /К - ,/к) + (, -Ч,) 510 или (р = , +где (, - коммулятивный фазовый сдвиг исходных радио- импульсов, а= 27 (иг/К - и,/К,) - разность набегов Фаз радиоимлульсов в каналах Фазометра. импульсов путем деления частоты Гв К раэ, не равное Кг, например К= Кг + 1. Также как и в первом режиме в каждом регистре под действием Подставляя и = и, - ИК и К К , получают Ч = Чг Чч 1 г -2 Т М. импульсов, действующих на их входестробирования и тактовом входе, выполняется дискретизация и одновременно задержка входного радиоимпульТакич образом, в первом такте выполняется грубая компенсация коммулятивного Фазового сдвига исходныхрадиоимпульсов с точностью до 2т. е, составляющая 2И коммулятивного фазового сдвига, во втором такте - полная компенсация фазовогосдвига путем изменения частоты 1 .Индикатор 6 вследствие периодичностисвоей характеристики. реагирует наразность фаз в пределах 0 - 2 7,т.е, в данном случае на= 27 К +2 1 (иг/К, и/К О 1) + (г Ч )Поскольку 1 О, то индикатор 6 по одному из выходов вырабатывает импульсный сигнал, под действием которогов синтезаторе изменяется частота Г,.Изменение й, рав но сильно измене ниюкоэффициента Ко, в выражении для (Разность фаэ начинает уменьшаться.Как только (1 становится равным нулю,регулярное поступление импульсов содного иэ выходов нуль-индикаторапрекращается. При этом частота ГФиксируется, а Ко, принимает значение Ко, = К. Подставляя в выражениедля (р значение К О 1 = К, и приравнивая 11 нулю, получают условие полнойкомпенсации фазы входных радиоимпульсов, т.е, 2 1 (и /К - и, /К,) = -УВ соответствии с этим выражением вы"числитель определяет искомую разностьФаз (1 . Всякое изменение сдвига фаэвходных радиоимпульсов фазометра приводит к изменению К и и , а следовательно, и показаний вычислителя 8,Результат вычисления поступает нацифровой индикатор 9, Фиг. 2 иллюстрирует процесс компенсации для случая, когда Ч, = и /5, Ц) =13 и /5,К = 20, М = 1, и, = 40,20 са, Однако на выходные разряды регистра (которые снабжены устройства"ми выборки и хранения) проходят только те выборки сигнала, которые совпа 25дают с моментом действия короткихимпульсов, Поскольку эти моменты смещаются по отношению к каждой К -й выборке (так как Р,Р), то выходнойрадиоимпульс формируется из С (К +З 0 + 1)-х выборок, где С = 0,1,2,3т.е. на разностной частоте (Р-Р).В первом режиме выходной сигнал формировался из всех выборок входногосигнала, так как частоты следования.35 щпульсов, поступающих на входы стробирования и считывания, были одинаковы и равны Й.Входящие в состав фазометра синте 140 затори вычислитель 8 работают следующим образом,В вычислителе 8 вычисляется значение куммулятивного фазового сдвигав соответствии с формулой 9045 = 2 и (11 - 11 - и,/К, ) р к которомуприводится выражение для (,. В нача.ле первого такта в счетчики 16 и 21записываются числа Н и К соответственно, а формирователь 15 устанавли 50 вается в положение, при котором наи иего выходе присутствует уровеньС приходом радиоимпульсов на входы8.1 и 8.2 вычислителя 8 на выходеФормирователя 15 формируется. видеоимпульс длительностью ( -,). Этотвидеоимпульс поступает на вход Ч 2счетчика 16. При этом импульсы с входа 8,1 уменьшают код Б, записанныйв начале первого такта в счетчик 16, 14 72844 8Таким образом, по окончании видео -импульса с выхода Формирователя 15(С ) 1 ) в счетчике оказывается запи 2санным число (М- И), которое поступает на выход 8.5 и цифровую схемувычитателя 13, На другой вход вычитателя 13 поступает код отношения и, /Кс выхода делителя 12, Полученная навыходе вычитателя 13 разность Н,= К Р/К . Первые формируются в умно -гжчтелях 18 и 19 путем умножения частоты Р сигнала на входе 7.3 в Х, раз1 кодовый сигнал на выходе реверсивного счетчика 21) и в Кг = сопя Раз, 2 ОТретий выходной сигнал синтезатораформируется с помощью делителя 20путем деления частоты Йг сигнала навыходе 7.6. Кодовый сигнал К на выходе 7.7 получается с помощью реверсивного счетчика 21, Под действиемимпульсов, поступающих с входов 7.1и 7,2 синтезатора 7 на входы суммирования (е) и вычитания (-) счетчика21, число Кг, записанное в счетчикв начале такта, уменьшается либо увеличивается в зависимости от знакаФазового сдвига входных сигналов индикатора 6, При положительном Фазовомсдвиге импульсы поступают на вычитающий вход счетчика 21, а число, за -35писанное в счетчике, уменьшается .Код этого уменьшающегося числа, поступая с выхода счетчика на кодовыйвход умножителя 19, уменьшает частоту Й, его выходного сигнала, чтоуменьшает Фазовый сдвиг входных сигналов нуль-индикатора 6. Этот процесс заканчивается в момент равенства= О, что соответствует полной 45компенсации фазового сдвига. Приэтом импульсы с входов 7,1 и 7,2 начинают равновероятно поступать на обасчетных входа реверсивного счетчика21. При этом число К, на его выходе50сохраняется практически неизменным.Всякое изменение фазового сдвига 4в ту или иную сторону приводит к противоположному изменению числа К аналогично, описанному.Диапазон регулирования фазы пред 55лаг аемого фазоме тра составляет-, 32 Ф, для прототипа диапазон 4) равен 2 . Предлагаемый фазометр имеет также существенно меньшую фазовую погрешность от неидентичности каналов. Это гарантировано тем что оба канала выполняются в одном кристалле интегральной микросхемы по единой технологии.Фазометр компенсационного типа обладает также рядом преимуществ по сравнению с фазометром прямого преобразования (например триггерным) это отсутствие "мертвых зон", большая точность .и т.д. Целесообразно его использование для контроля фазовых параметров радиоимпульсных и локационных систем с использованием фазированной антенной решетки в области звуковых и ультразвуковых частот,Фо рмула из о бретен ия1. Цифровой компенсационный Фазометр, содержащий цифровой индикатор, первый и второй каналы, каждый из которых имеет сигнальный вход, являю шийся входом фазометра, и два управляющих входа, первый и второй фильтрь 1 нижних частот, выходы которых подсоединены к входам нуль-инцикатора, а вход первого фильтра нЬ:их частот - к выходу первого канала, блок регулирования, первый и второй выхо"- ды которого подсоединены к первым управляющим входам соответственно первого и второго каналов, а вход соединен с выходами нуль-индикатора, о тличающийся тем, что, сцелью расширения диапазона измерений и повышения точности, в него ввецены вычислитель и коммутатор, выход которого подсоединен к входу второго Фильтра нижних частот, блок регулирования выполнен в виде синтезатора частот, дополнительный вход которого подсоединен к сигнальному входу одного из каналов, а выход - к объединенным вторым управляющим входам обоих каналов соответственно, при этом выходы второго канала подключены соответственно к аналоговым входам коммутатора, первый, второй и третий входы вычислителя подключены соответствечно к сигнальным входам каналов и третьему выходу синтезатора, а первый и второй выходы соединены с циф,.- ровым индикатором и с кодовым входом коммутатора соответственно, при этом каждый канал выполнен в виде переключателя, подсоединенного к управляющим142844 Составитель А, Техред А, Кравч таростина Ко ррек т едактор Л, Пчолинска оманенк 05/45 Тираж 711 осударственного комитета по 113035, Москва, ЖПодписноеобретениям и открытиям при ГКНТ ССРаушская наб., д. 4/5 ЗаказВНИИПИ оизводственно-издательский комбинатПатент", г. Ужгород, ул, Гагарина,входам канала и многоразрядного аналогового регистра сдвига, выходы от промежуточного и последнего разрядов которого являются выходами канала со 5 ответственно, сигнальный и объединенные первый и второй управляющие входы являются сигнальным и первым управлящцим входами канала, а третий управляющий вход подсоединен к выходу переключателя,2. Фазометр по п. 1, о т л и - ч а ю щ и й с я тем, что синтезатор частот выполнен в виде двух кодоуправляемых умножителей частоты и реверсивного счетчика, выходы которых явля ются выходами синтезатора, причем два импульсных входа реверсивного счетчика и объединенные импульсные входы кодоуправляемых умножителей частоты подсоединены к соответствующим входам синтезатора, кодовый вход первого кодоуправляемо го умножителя часта ты подсоединен к выходу реверсивного счетчика, а кодовые входы второго ум ножителя частоты и реверсивного счетчика соединены с первым задатчикомкада, при этом выход второго кодоуправляемого умнажителя частоты соединен также с входами делителя частоты,вьмод которого является выходом синтезатораа,3, Фазометр по и. 1, а т л и -ч а ю щ и й с я тем, что вычислитель выполнен в виде двухвхадовых делителя, вычитателя и перемножителячисел, включенных последовательномежду третьим входом и первым выходомвычислителя, а также формирователяимпульсов, входы которого подсоединены к первым входам вычислителя исчетчика с предустановкой, выход которого подсоединен к второму выходусинтезатора и второму входу вычитателя, а его первый и второй входы подключены к выходу и одному из входовформирователя импульсов, причем вторые кодовые входы делителя и перемножителя и вход предустановки счетчикаподсоединены к выходам второго задатчика кодов.