Цифровой фазометр

4 б 326 ЮЗ СОВЕТСКИХЦИАЛИСТИЧЕСКСПУБЛИК 5 6 01 В 25/08 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ СВИДЕТЕЛ ЬСТ Р 4) ЦИФРОВОИ(57) Изобретенидля построениярителей. Цель ичастотногодиапс ческий и тябрьско циали тот, Устроиство бирования, ста преобразовател 8, нуль-индикато ов, цифровой цифровой прео ователь 13 част цессорной обр преобразовател нератор 17 и фо щих импульсов. ьство ССС08, 1978,(21) 4818451/21(71) Киевский политехниим. 50-летия Великой Окстической революции(56) Патент США 1 ч. 33343кл. 328-151, 1967.Авторское свидетелМ 759980, кл, 6 01 В 25/ ФАЗОМЕТР может бытьысокочастотзобретения зона в сторо содержит бл илизаторы 5 и 6 частотр 9, меру 10 индикаторбразовательота-код, блокботки, циф 15 и 16, упмирователь ил. использовано ых фазоизмерасширение у высоких чаки 1 и 2 строи 4 уровня, , фильтры 7 и фазовых сдви, аналого, преобра микропрооаналоговые авляемый ге стробирую10 15 20 30 обработки,40 45 50 55 Изобретение относится к фаэоизмерительной технике и может быть использовано. при создании высокоточных цифровых фаэометров для широкого диапазона высоких частот,Известные фазометры, работающие вдиапазоне высоких частот, например ФК 212 СССР, модель 8405 А фирмы НЕЮЕЕТТРАСКАВО США, содержат стробирующиеустройства, управляемый генератор стробирующих импульсов и систему фазовойавтоподстройки частоты управляемого генератора, выполняющие стробоскопическиепреобразование временного масштабавходных сигналов, а также усилители-ограничители и триггерный преобразовательфазового сдвига преобразованных сигналов во временной интервал.Недостатком таких фаэометров является их низкая точность. Кроме того, при работе фазометра в широком диапазонечастот требуется ручная настройка и контроль работы системы фазовой автоподстройки частоты.Наиболее близким по технической сущности является цифровой фазометр, содержащий включенные последовательно вкаждом канале блока стробирования, аналого-цифровой преобразователь, запоминающее устройство, цифроаналоговыйпреобразователь и фильтр нижних частот, атакже систему формирования стробирующих импульсов, состоящую из делителя час тоты, цифроаналогового преобразователя,генератора пилы, компаратора и формирователя стробирующих импульсов, выполняющих линейное преобразование временного масштаба входных сигналов и вычитание измеряемого и компенсирующегофазовых сдвигов. Соединенные между собой нуль-индикатор, мера фазовых сдвигов ицифровой индикатор обеспечивают создание прецизионного значения компенсирующего фазового сдвига, равного измеряемому,и индикацию результатов измерения,Недостатком такого фазометра является ограничение верхней границы диапазоначастот десятками мегагерц(п рактически достигнута верхняя граница диапазона частот200 кГц в фаэометре Ф 5131). Кроме того,один из входных сигналов поступает на делитель частоты, поэтому фаэометр имеетразличные входные импедансы по каналам,что приводит к дополнительным погрешностям включения при измерении фазовогосдвига,Цель изобретения - расширение частотного диапазона входных сигналов фазометра в сторону высоких частот,Цель достигается тем, что в фазометр, содержащий два блока стробирования, первые входы которых являются входами фаэометра, вторые входы подключены к выходу формирователя стробирующих импульсов,фильтры, выходы которых подключены через нуль-индикаторов и меру фазовых сдвигов у к цифровому индикатору, аналого-цифровой и два цифроаналоговых преобразователя дополнительно введены управляемый генератор. блок микропроцессорной обработки, преобразователь частота-код, два стабилизатора уровня и два преобразователя частоты, причем выход каждого блока стробирования через последовательно соединенные стабилизатор уровня и первый вход преобразователя частоты подключен к входу фильтра, вторые входы преобразователей частоты подключены к выходам меры фазовых сдвигов, входы блока микропроцессорной обработкичерез параллельно включенные аналого-цифровой преобразователь и преобразователь частота-код подключены к выходу одного из блоков стробирования, а его выходы через параллельно включенные цифроаналоговые преобразователи подключены к входам управляемого генератора, выход которого подкл юче н к входу форм ировател я стробирующих импульсов.На фиг. 1 представлена структурная схема цифрового фазометра; на фиг. 2 - пример выполнения блока микропроцессорной обработки и его подключение; на фиг, 3 - алгоритм работы блока микропроцессорной Фазометр содержит блоки 1 и 2 стробирования, соединенные с входами фазометра, к выходам которых последовательно подключены стабилизаторы 3 и 4 уровня, преобразователи 5 и 6 частоты. фильтры 7 и 8, выходы которых через нуль-индикатор 9 и через меру 10 фазовых сдвигов соединены с цифровым индикатором 11, выходы меры 10 фазовых сдвигов соединены также с вторыми входами преобразователей 5 и 6 частоты. Кроме того, один из блоков стробирования соединен с параллельно включенными аналого-цифровым преобразователем 12 и преобразователем 13 частота-код, выходы которых через блок 14 микропроцессорной обработки и параллельно включенные цифроаналоговые преобразователи 15 и 16 соединены с входами управляемого генератора 17, выход которого через формирователь 18 стробирующих импульсов соединенс вторыми входами блоков 1 и 2 стробирования,Блок 14 микропроцессорной обработкиимеет стандартную конфигурацию и связи,зигде К=Л масшта ный эффициен Лу =ж(в -преобразователь 12 стота-код формирутветствующие сред- ения, например 02 К, одного иэ выходных ирования. Блок 14 работки анализирутму коды частоты иГО СИГНаЛа Опч 2 И С Таки рутизнхарактерные для любых микропроцессорных устройств, и содержит процессор (ЦП), оперативное (ОЗУ) и постоянное (ПЗУ) запоминающие устройства и устройства ввода- вывода (УВВ). На фиг, 2 показана такая стандартная конфигурация и для примера указаны микросхемы, которые могут использоваться при практической реализации блока 14, Соединение микросхем в процессоре приведено в известной литературе.В постоянно запоминающем устройстве хранится управляющая программа, реализующая приведенный пример алгоритма или другой алгоритм, обеспечивающий автоматическую настройку частоты управляемого генератора 17, Коды частоты и напряжения, поступающие с аналого-цифрового преобразователя 12 и преобразователя 13 частота-код через устройства ввода-вывода, а также коды, управляющие частотой генератора 17, хранятся в оперативном запоминающем устройстве, Процессор выполняет управление блоком 14 по заданному алгоритму,фазометр работает следующим образом,Входные периодические сигналы, фазовый сдвиг уЪ основных гармоник которых Овх 1 = 013 П( Мвх С + фх), Овх 2 = 023 П 01 вх 1 необходимо измерить, поступает на входы блоков 1 и 2 стробирования, на вторые входы которых поступают короткие импульсы с частотой аст и фиксируют в обеих каналах фаэометра мгновенные значения (производят выборки) входных сигналов, При этом основные гармоники входных сигналов преобразуются в сигналы вида Опч 1= 01 КСОЗ(Игх - П 1 Жст)1+ Лф+ ЛУ,Опч 2 = 02 КСОВ(ЙЪх П 1 Ист)т + Ь 7, - х) - аддитивный допо т с виг; нительный фазовый д гп = 1,2. Аналого-.цифровой и преобразователь 13 ча ют на выходах коды, соо нему значению напряж и частоты оЪх - гп все сигналов блока строб микропроцессорной об ет по заданному алгори уровня преобразованно5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 помощью цифроаналоговых преобразователей 15 и 16 формирует управляющие воздействия, устанавливающие чувствительностьуправляемого генератора 17 и изменяющиечастоту его выходных импульсов. а следовательно, и частоту стробирующих импульсовтаким образом, чтобы значение частотыпреобразований основной гармоники входного сигнала стремилось к постоянному заданному значению, т.е,Ввх - П 1 йЬ = ач-+СОПЗ 1,Критерием преобразования именно основной гармоники является максимум среднего значения преобразованного сигнала,что исключает формирование на выходеблоков 1 и 2 стробирования сигналов промежуточной частоты впч, полученных в результате преобразования высших гармоник .входных сигналов, при котором обеспечивается условие впч =швх - гп вот,где= 2,3, - номер гармоники входногосигнала.При изменении частоты аЪх в широкихпределах (" "с100) значение гп изменяЪхминется также в широких пределах, поэтому дляповышения точности регулирования шстиспользуется изменение чувствительностихарактеристики преобразования управляемого генератора 17 в зависимости от значения а. Это также позволяет автоматическинастраивать управляемый генератор 17 вшироком диапазоне частот входных сигналов.Алгоритм работы блока 14 микропроцессорной обработки приведен на фиг. 3.Максимальная крутизна преобразования частоты, а следовательно, и крутизныуправления генератора 17 равнаЯ = = 1 (при в = 1).ЛастЛвхПри увеличении в крутизна уменьшается. Вприведенном алгоритме (фиг.3) вначале устанавливается максимальная крутизна управления частотой генератора 17 (Я = 1) ипроизводится изменение частоты генератораа 17 от истмин = ивхмин - Фпч до Мстмакс== 2 Жвхмин - впч, Анализируя значения промежуточной частоты впч, а точнее монотонность изменения этой частоты,уменьшается крутизна управления частотой генератора 17 до получения монотоннойзоны (второй замкнутый цикл алгоритма),Получение монотонной зоны свидетельствует о правильном выборе значения пт в выраженииЮвх - гп Фст =ЙЪчм образом, не требуется измерятьк у управления частотой генератора5 10 15 20 17, хотя принципиально такая возможность есть. Между управляющим кодом, например цифроаналогового преобразователя 16 и крутизной (чувствительностью) генератора 17, существует однозначная зависимость,Алгоритм управления предполагает скачкообразное увеличение крутизны до максимального значения (Я = 1); если не выполняется условие мпч минИпчИпчмакс В этом случае происходит переход в начало алгоритма управления и устанавливается 3 - 1 (на фиг. 3 этот переход указан),Таким образом, предложенный алгоритм в процессе автоматической настройки предполагает уменьшение крутизны управления частотой генератора 17 от максимального значения до требуемого (определение щ), а затем точную настройку частоты генератора 17 в режиме слежения, при которой впч- сопэт, контролируется при этом выполнение условия впчминйЬчмпчмакс. Если это условие не выполняется, то происходит переход в начало алгоритма(скачок крутизны до максимального значения) и повторная настройка.Стабилизаторы уровня формируют на выходах сигналы промежуточной частоты в,ч с постоянными средним значением напряжения Ооч - сопзт, которые поступают на входы преобразователей 5 и 6 частоты. На вторые входы преобразователей 5 и 6 частоты поступают напряжения с меры 10 фазового сдвига, основные гармоники которых равны Ом 1 = Омз и ( йм 1+ Ъ),Ом 2 = Омзи Вм т,где р - компенсирующий фазовый сдвиг,Фильтрами 7 и 8 их выходных сигналовпреобразователей 5 и 6 частоты выделяютсягармонические составляющие Оф = Офзп(ас. - 0 ъ)1+ рк-уъ+ ЛрОф 2 = ОфэП(СОоч - Сом)т+ Лр,Разность фаз дЪ выходных напряжений меры 10 фазовых сдвигов изменяется при помощи управляющих сигналов нуль-индикатора 9.При достижении синфаэности напряжений на входе нуль-индикатора 9 выполняется равенство ук = р, т,е. измеряемый фазовый сдвиг р равен компенсирующему фазовому сдвигу р, который и индицирует 25 30 35 40 45 50 55 ся цифровым индикатором как результат измерения.Меры фазовых сдвигов на основе триггерных пересчетных схем формируют прецизионные значения компенсирующего фазового сдвига с требуемой дискретностью, например 0,01.Таким образом, применение системы формирования стробирующих импульсов на базе блока микропроцессорной обработки совместно с аналого-цифровым преобразователем, преобразователем частота-код и цифроаналоговыми преобразователями позволяют расширить диапазон частот входных сигналов фазометра, работающего в автоматическом режиме, до десятков гигагерц, обеспечить идентичные высокие входные импедансы (входную емкость - единицы пикофарад, входное сопротивление - сотни килоом). Формула изобретения Цифровой фазометр, содержащий два блока стробирования, первые входы которых являются входами фаэометра, вторые входы подключены к выходу формирователя стробирующих импульсов, два фильтра, выходы которых подключены через нуль-индикатор и меру фазовых сдвигов к цифровому индикатору, аналого-цифровой и два цифроаналоговых преобразователя, о т л и ч аю щ и й с я тем, что, с целью расширения частотного диапазона в сторону высоких частот, в него введены управляемый генератор, блок микропроцессорной обработки, преобразователь частота - код, два стабилизатора уровня и два преобразователя частоты. причем выходы первого и второго блока стробирования соответственно через последовательно соединенные первый стабилизатор уровня и первый вход первого преобразователя частоты, второй стабилизатор уровня и первый вход второго преобразователя частоты подключены соответственно к входам первого и второго фильтров, вторые входы преобразователей частоты подключены к первому и второму выходам меры фазовых сдвигов, входы блока микропроцессорной обработки через аналого-цифровой преобразователь и преобразователь частота-код подключены к выходу одного из блоков стробирования, а его выходы через первый и второй цифроаналоговые преобразователи подключены к первому и второму входам управляемого генератора, выход которого подключен к входу формирователя стробирующих импульсов.174632 б актор Г. Ге Корректор Л. Бески Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 1 Заказ 2393 ВНИИПИ Гос Составитель В. ШпилТехред М.Моргентал Тираж Подписноевенного комитета по изобретениям и открытиям при ГКН 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5