Способ измерения сдвига фаз

ОЮЗ СОВЕТСКИХ ЦИАЛИСТИЧЕСНИ СПУБЛИК 119) (11) 5 0 594 С ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ ВИДЕТЕЛЬСТ д ВТОРСН ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(71) Специальное конструкторско-технологическое бюро с опытным производством при Белорусском ордена Трудового Красного Знамени государственном университете им, В,И.Ленина и Белорусский ордена Трудового Красного Знамени государственный университет им,В,И,Ленина (72) В,И.Емельяненков и В.А.Липатов (53) 621.317.77(088.8)(56) Авторское свидетельство СССР В 324588, кл, С 01 К 25/04, 1971,Авторское свидетельство СССР У 748273, кл. С 01 В. 25/00, 1980.(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СДВИГА ФАЗ(57) Изобретение может быть использовано для измерения величины угла сдвига фаз между двумя периодическими сигналами. Цель изобретенияповышение точности измерения сдвигафаз. Для этого обеспечивается возможность включения в расчетное соотношение более точных значений величин, характеризующих период расширенного сигнала и расширенный временньп сдвиг, Устройство для реализации данного способа содержит опорный и фазовый каналы с преобразователем 1 на каждом входе, генератор2 строб-импульсов эталонной частоты,триггеры 3-5, линию 6 задержки, ключи 7 и 8, счетчики 9-12, элементыИ 13 и 14, аналого-цифровые преобразователи )5 и 16, дешифратор 17, регистры 18-21, блоки 22 и 23 сравнения кодов, коммутатор 24, вычислитель 25, формирователи 26 и 27 импульсов, Последовательность опера12428 Й 5ций, выполняемых по данному способу, раммы, поясняющие работу устройства,математическая формула расчетного приведены в описании изобретения.соотношения, а также временные диаг ил.Изобретение относится к измерительной технике и предназначено, вчастности, для измерения величины угла сдвига фаз между двумя периодическими сигналами.Цель изобретения - повышение точности измерения сдвига фаз.Увеличение точности измерениясдвига фаэ достигается эа счет того, что в предлагаемом способе обеспечивается возможность включения в расчетное соотношение более точныхзначений величин, характеризующих период расширенного сигнала и расширенный временной сдвиг.На фиг,1 представлена структурная схема устройства, реализующего пред- лагаемый способ; на фиг.2 - структурная схема преобразователя; на фиг фиг,З - временные диаграммы, поясняющие взаимодействие сигналов при реализации предлагаемого способа.Способ измерения осуществляется следующим образом.Формируют из опорного и фазового сигналов, следующих с периодом Т, и сдвинутых одна относительно другой на измеряемый фазовый сдвигсоответственно опорную и фаэовую последовательности импульсов(фигЗб,в соответственно) с сохранением Фазового сдвига и периода, Причем импульсы формируют таким образом, чтобы на их одноименных передних (или задних) фронтах были идентичные участки, близкие к линейным. Стробируют сфррмированную опорную последовательность импульсами эталонной последовательности (фиг.За) и выделяют выборки, амплитуда которых пропорциональна величине стробируемого сигнала в точке стробирования. Формируют пакеты из тех выборок опорной последовательности, амплитуда которых превысит заданное пороговое значение П , Сформированные таким образом рорпакеты образуют опорную последова " тельность пакетов выборок (фиг,Зг).Стробируют сФормированную фаэовую последовательность импульсами эталонной последовательности (фиг,За) и выделяют выборки, амплитуда которых пропорциональна величине стробируемого сигнала в точке стробирования, Формируют пакеты иэ тех выборок фазовой последовательности, амплитуда ко; торых превысит заданное пороговое значение Б р, Сформированные таким образом пакеты образуют последовательность пакетов выборок (Фиг.Зд), Пороговое значение Б выбирают так,еаачтобы пакеты начинались (или заканчивались) выборками, полученными при стробировании линейных участков Фронтов стробируемых импульсов. Выбирают две, следующие по порядку,20 первую и вторую выборки в начале(или конце) первого пакета опорной последовательности и измеряют ихам - плитуды 11 и Б ;соответственно, Это1будут выборки линейного участка фронта импульса опорной последовательности. При этом первую выборку принимают,за начальную границу опорного и фазового интервалов. Выбирают в качестве конечной границы опорного интервала выборку во втором пакете опорной последовательности, ближайшую к началу пакета, если первые две выборки были выбраны в начале первого пакета, или к концу пакета, если первые две выборки были выбраны в конце первого пакета, и измеряют ее амплитуду Б, . При этом амплиту,ца Б., выбранной выборки должна быть в интервале между амплитудами Б, и Б первых,цвух выборок. Выбирают в качестве конечной границы фазового интервала выборку в первом пакете Фазовой последовательности, следующем непосредственно эа первым пакетом опорной последовательности. Причем укаэанная выборка является начальной в пакете, если в качественачальной границы фазового интервала выбрана начальная выборка соответствующего пакета,и конечной, ес ли вкачестве начальной гранины фазового интервала выбрана конечная5выборка соответствующего пакета. Измеряют амплитуду 1., этой выборки.Подсчитывают число И периодов Т, эталонной частоты, укладывающихся в опорном интервале. Подсчитывают число 1011 периодов Т эталонной частоты,укладывающихся в фазовом интервале.По полученным данным рассчитываютнеизвестный сдвиг фаз Ч с помощьюследующего расчетного соотношения11Р 1)- ,(1)1)ъ - ПБУстройство (фиг, 1), реализующее 20способ, содержит два канала: опорныйи фазовый с преобразователем 1 накаждом входе, генератор 2 строб-импульсон эталонной частоты, триггеры3-5, линию 6 задержки, ключи 7 и 8,счетчики 9 - 12, элементы И 13 и 14,аналого-цифровые преобразователи 15и 1 Ь, дешифратор 17, регистры 18-21,блоки 22 и 23 сравнения кодов, коммутатор 24, вычислитель 25, форьярователи 26 и 27 импульсов,Каждый из преобразователей содержит формирователь 28 импульсов с линейным участком на переднем фронте,строб-смеситель 29, усилитель-расши -35ритель 30, пороговый элемент 31, ключи 32 и 33, счетчик 34 и триггер 35.Выход генератора 2 соединен с первыми входами параллельных преобразователей 1 и импульсными входами клю 40чей 7 и 8, выходы которых подключены соответственно к входам счетчиков10 и 11Первый выход преобразователя 1 соединен со счетным входом триг. -гера 3, а второй выход - с входом45формирователя 27, информационнымвходом аналого-цифрового преобразователя 15 и первым входом элементаИ 13, выход формирователя 27 подключен к управляющему входу анало 50го-цифрового преобразователя 16. Первый выход преобразователя 1 фазовогоканала соединен с входом установки"0" триггера 4,входом формирователя26 и через линию б задержки с управ -55ляющим входом регистра 21, а второйвыход - с информационп и входом аналого-цифрового преобразо ателя 15. Выход формирователя 26 соединен суправляющим входом аналого-цифровогопреобразователя 15. Вывод триггера 3подключен к счетным входам триггеров4 и 5 и второму входу элемента И 13,Инверсный выход триггера 3 соединенс третьим входом элемента И 14, пер-,вый и второй входы которого подключены соответственно к выходам блоков22 и 23 сравнения кодов. Выходы триггеров 4 и 5 соединены соответственнос управляющими входами ключей 7 и 8.Выход элемента И 13 подключен к входу счетчика 12, выход которого соединен с входом дешифратора 17Выходаналого-цифрового преобразователя 16подключен к информационным входамрегистров 18-20 к первым входам блоков 22 и 23 сравнения кодов. Выходаналого-цифрового преобразователя 15соединен с информационным входом регистра 21. Первый и второй выходы дешифратора 17 подключены соответственно к управляющим входам регистров 18и 19, выходы которых соединены соответственно с вторыми входами блоков22 и 23 сравнения кодов соответственно, Выход элемента И 14 подключенк управляющему входу регистра 20,входу установки "0" триггера 5 и входу запуска вычислителя 25, синхронизирующий выход которого соединен свходом счетчика 9. Выходы счетчиков1 О и 11 и регистров 18 21 подключенык соответствующим коммутируемым входам коммутатора 24, выход которогосоединен с информационным входом вычислителя 25. Выход счетчика 9 подключен к управляющему входу коммутатора 24,Первым входом каждого из преобразователей 1 является импульсный входсчетчика 34, вторым входом - входформирователя 28 импульсов, Первымвыходом каждого из преобразователей1 является выход ключа 33, вторымвходом - выход ключа 32. Внутри каждого преобразователя 1 выход форьирователя 28 соединен с первымвходом строб-смесителя 29, второйвход которого подключен к импульсному входу счетчика 34. Выход стробсмесителя 29 через усилитель-расширитель 30 соединен с входом порогового элемента 31 и импульсным входомключа 32, управляющий вход которогоподключен к выходу порогового элемента 31. Выход ключа 32 соединен с2 Э управляющим входом счетчика 34 и импульсным входом ключа 33. Выходсчетчика 34 подключен к выходу установки "1" триггера 35, выход которого соединен с управляющим входомключа 33, Счетный вход триггера 35подключен к выходу ключа 33,Устройство работает следующим образом, ОВ исходном состоянии все счетчики, триггеры и регистры обнулены,ключи закрыты. На первые входы преобразователей 1 опорного и фазовогоканалов поступают строб-импульсы свыхода генератора 2. На вторые входыпреобразователей 1 опорного и фазового каналов поступают соответственно опорный и исследуемый периодические сигнапы. Рассмотрим функционирование одного из параллельных каналов.Формирователь 28 осуществляет преобразование опорного (исследуемого)периодического сигнала в последовательность импульсов с идентичнымилинейными участками на их переднихФронтах, Причем преобразование периодических сигналов Формирователями28 в опорном и фазовом каналах осуществляется с сохранением фазовогосдвига и частоты. Сформированная таким образом последовательность импульсов поступает на первый входстроб-смесителя 29, На второй входстроб-смесителя 29 поступают строб 35импульсы с выхода генерато 1 ра 2, Навыходе строб-смесителя 29 Формируются выборки, которые расширяются усилителем-расширителем 30 до необхо 40димых, длительностей и линейно усиливаются. Сформированный на выходеусилителя-расширителя 30 сигнал поступает на вход порогового элемента31 и импульсный вход ключа 32, При45превышении амплитуды импульсов расширенного сигнала заданного порогового значения Б пороговый элелормент 3 формирует сигнал . по которо-му открывается ключ 32. При этом5 ана выходе ключа 32 формируются пакеты из трех импульсов (выборок) расширенного сигнала, амплитуда которыхпревышает заданное пороговое значение 1,р, Выход ключа 32 являетсявторым выходом канала преобразователя 1, Счетчик 34 подсчитывает поступающие на его импульсный вход импульсы с выхода генератора 2 между моментами прихода импульсов на управляющие входы счетчика 34 и импульсный вход ключа 33 с выхода ключа 32, Каждый импульс, поступающий на управляющий вход счетчика 34, обнуляет последний, Если между моментами обнуления счетчик 34 подсчитает хотя бы два импульса, то на его выходе появится управляющий сигнал, по которому триггер 35 установится в единичное состояние, При этом откроется управляемый триггером 35 ключ 33 и пропустит импульс р постпившии в это время на его импульсный вход. Пропущенный ключом 33 импульс поступит на счетный вход триггера 35, который по его заднему Фронту возвратится в исходное (нулевое) состояние. При этом ключ 33 закроется. Вследствие того, что интервалы между импульсами, входящие в один пакет, равны периоду Т эталонной частоты, а между пакетами больше или равны 2 Т,) на выход ключа 33 (первом выходе канала преобразователя 1) будут пропускаться только первые импульсы пакетов.Таким образом, на вторых выходах преобразователей 1 опорного и фазового каналов сформированы соответственно опорная и фазовая последовательности пакетов из тех импульсов (выборок) расширенных сигналов, амплитуда которых превышает заданное пороговое значение 1На первых выходах йреобразователейопорного и фазового каналов будут выделены первые импульсы (выборки) пакетов соответственно опорной и фазовой последовательностей пакетов (выборок). По переднему фронту первого выделенного импульса первого пакета опорной последовательности, поступающего на счетный вход триггера 3, происходит переход последнего в единичное состояние, которому соответствует высокий уровень напряжения. Положительный перепад напряжения с выхода триггера 3 поступает на счетные входы триггеров 4 и 5, переводя их в единичное состояние соответственно. При этом открываются управляемые триггерами 4 и 5 ключи 7 и 8 и счетчики 1 О и 1 начинают считать импульсы эталонной частоты, поступающие на их входы через открытые ключи, 124284555 После перехода триггера 3 в единичное состояние на выходе элементаИ 13 появляются импульсы первого пакета опорной последовательности, которые подсчитываются счетчиком 12,Одновременно аналого-цифровой преобразователь 16 переводит значенияамплитуд импульсов первого пакетаопорной последовательности в цифровой код. При этом запуск аналогоцифрового преобразователя 16 осуществляется импульсами, сформированными формирователем 27, из выборок, амплитуда которых измеряется.Дешифратор 17 анализирует состояниесчетчика 12 и после первого счетного импульса (например, по его заднему фронту) на его первом выходеформируется управляющий сигнал. Поэтому сигналу в регистр 18 записывается цифровой код преобразованнойаналого-цифровым преобразователем16 амплитуды Б, первого импульса(выборки) первого пакета опорнойпоследовательности. После приходавторого счетного импульса на входсчетчика 12 на втором выходе дешифратора 17 формируется управляющийсигнал. По этому сигналу в регистр19 записывается цифровой код преобразованной аналого-цифровым преобразователем 16 амплитуды Б второго импульса (выборки) первого пакета опорной последовательности,По первому выделенному импульсупервого пакета фазовой последовательности, поступающему на установочный вход "0" триггера 4, происходит переход последнего в.нулевоесостояние. При этом закрывается управляемый триггером 4 ключ 7, прекращая дальнейшее поступление импульсов на вход счетчика 10,Таким образом, счетчиком 10 былоподсчитано число Б, импульсов эталонной частоты, укладывающихся в фазовом интервале между первыми импульсами (выборками) первых пакетовопорной и фазовой последовательностей,Первый выделенный импульс первого пакета фазовой последовательностипоступает также на входы линии 6задержки и формирователя 26. Формирователь 26 формирует импульс запус-ка аналого-цифрового преобразователя 15, который переводит в цифровойкод значение амплитуды Б первог 5 10 15 20 25 30 35 40 4550 Таким образом, счетчиком 11 было подсчитано число Б импульсов эталонной частоты, укладывающихся в опорном интервале между первым импульсом (выборкой) первого пакета опорной последовательности и ближайшим к началу второго пакета опорной последова 1242845тельности импульсом (выборкой), значение амплитуды Б которой находится в интервале между значениями амплитуд Б и 0 первых двух импульсов (выборок) первого пакета опорной последовательности.Импульс, сформированный элементом И 14, поступает также на синхронизирующий вход (например, вход прерывания) вычислителя 25, по инициативе которого осуществляется занесение цифровой информации с регистрон 18-21 и счетчиков 1 О и 11 в вычислитель 25. Подключение каждого из коммутируемых коммутатором 24 входов к информационному входу вычисли" теля 25 осуществляется счетчиком 9, на вход которого поступают импульсы с синхронизирующего выхода вычислите ля 25 (таким выходом может являться шина, формирующая импульс готовности к приему очередной порции информации) Каждый из укаэанных импуль" сов (например, по заднему фронту) увеличивает состояние счетчика на единицу и тем самым санкционирует подключение очередного коммутируемого входа коммутатора 24 к информационному входу вычислителя 25, После занесения всей необходимой информации в вычислитель 25, последний осуществляет расчет неизвестного фазового сдвига по формуле (1).Формула изобретенияСпособ измерения сдвига фаз, заключающийся в том, что формируют импульсные последовательности из опорных и исследуемых периодических сигналов путем стробирования эталонной последонательностью импульсов выделяют фазовый и опорной интервалы вре мени, подсчитывают числа периодов эталонной последовательности импульсов в опорном и фазовом интервалах времени, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения тсчнос- 4 М Б - Ц. 2 ь Б-Б М щЪ П - 1.1,П и 11 - амплитуды выбо где 11 Б рок сигнала; число периодов эталонной часто ты . укладывающихся н опорном интервале;11 - число периодов эталонной частоты, укладывающихся в фазовом интервале. ти измерения, из стробированных последовательностей выбирают импульсыв моменты прохождения сигналов на 5линейных участках одноименных фронтов, получают последовательности самплитудами, пропорциональными амплитудам входных сигналов, формируют последовательности пакетовтех выборок, амплитуды которых превышают заданное пороговое значение,при этом выбирают две следующие одна за другой выборки в начале иликонце первого пакета опорной последовательности и измеряют их амплитуды причем первая выборка является начальной границей опорного и фазового интервалов, выбирают ближайшую к началу или концу второго пакета опорной последовательности выборку, измеренное значение амплитудыкоторой находится в интервале междуамплитудами первых двух выборок, ипринимают ее за конечную границуопорного интервала, выбирают в качестве конечной границы фазового интервала начальную или конечную выборку первого пакета фазовой последовательности, следующего непосредственно за первым пакетом опорнойпоследовательности, и измеряют ееамплитуду, по полученным данным определяют сдвиг фаз Ч по следующему выражению:1242845 аТц Составитель В,ШубинТехред О.Сопко Корректор И.Муска дактор А,Козори б 99/43 ВНИИЛИ Государстве по делам изобре 13035, Москва, Ж Тираж 728 нного комитет ений и открыт 35, Раушская каз Подписное б., д,роизводственно-полиграфическое предприятие,г.Ужгород,ул.Проектная,4