Способ измерения сдвига фаз

(19) (11) 51)4 С 01 К 25/00 ТЕТ СССРИ ОТКРЫТИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫИ К ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ АВ ГОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(56) Авторское свидетельство СССР .748273, кл. С 01 К 25/00, 1977,Авторское свидетельство СССР1187097, кл. С О 1 К 25/00,10.05.84,(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СДВИГА ФАЗ(57) Изобретение относится к информационно-измерительной технике. Цельизобретения - повышение точности измерения, расширение функциональныхвоэможностей способа. Данный способреализуется следующим образом,Из исследуемых сигналов формируются последовательности импульсов, которыесравниваются во времени с опорной последовательностью импульсов.Затеосуществляется выделение центральных импульсов пакетов совпадений путем определения моментов взаимного перехода передних фронтов импульсов исследуемых сигналов относительно передних фронтов импульсов опор ной последовательности и моментоввзаимного перехода задних фронтовимпульсов этих последовательностей.Временные интервалы, которые характеризуют сдвиг фаз, формируют путемподсчета импульсов опорной частотыот начала первого центрального импульса совпадений до начапа второгоцентрального импульса в первой трансформированной последовательности ив промежутке между началом первыхцентральных импульсов первой и второй трансформированных последовательностей соответственно, Устройство,реализующее данный способ, содержитИзобретение относится к информационно-измерительной технике, в частности к Фаэовым измерениям, и может быть использовано для измерения сдвига Фаз между двумя периодическими сигналами с получением результата в виде цифрового кода,пригодного для ввода в ЭЦВМ.Цель изобретения - повышение точности измерения и Расширение Функ цианальных возможностей способа,На фиг.1 представлены диаграммы формирования временньм интервалов для определения сдвига Фаз; на Фиг.2 - блок-схема устройства для реали зации предлагаемого способа; на фиг. 3 - временные диаграммы выделения моментов периодов передних и задних Фронтов импульсов для случая непрерывного совпадения импульсов. 20Устройство (фиг.2) содержит формирователи 1 и 2 импульсов, Формирователи 3-6 остроконечных импульсов,генератор 7 импульсов опорной частоты, Формирователи 8 и 9 остроконечных импульсов, триггеры 10-13, триггеры 14 и 15 со счетным входом, элемент 16 совпадений, триггеры 17 и 18 со счетным входом, элемент 19 совладений, формирователи 20 и 21 остроко нечиых импульсов, триггер 22 пуска, элемент 23 совпадений, триггер 24 со счетным входом, формирователи 25 и 26 остроконечных импульсов, триггер 27, элемент 28 совпадений, счетчик , 29, триггер 30, элемент 31 совпадений, счетчик 32 и микропроцессор 33.Выход формирователя 1 соединен с входами Формирователей 3 и 4 остроконечных импульсов, входом Т триг гера 10 и входом Т триггера 11.Выход формирователя 2 соединен с входами формирователей 5 и 6 остроконечных импульсов, входом Т триггера 12 и входом Т триггера 13. Гене- ф 5 ратор 7 импульсов опорной частоты 2соединен с входами Формирователей 8 и 9 остроко ечных импульсов, входами Т триггеров 10 и 12, входами элементов 28 и 31 совпадений и входами Т триггеров 11 и 13, Выход Формирователя 3 остроконечных импульсов соединен с Б-входом триггера 10, К-вход которого соединен с выходом формирователя 8 остроконечных импульсов и К-входом триггера 12, Б-вход которого соединен с выходом Формирователя 5 остроконечных импульсов.Выход формирователя 4 остроконечным импульсов соединен с К-входом триггера 11, Б-вход которого соединен с выходом формирователя 9 остроконечных импульсов и Б-входом триггера 13, К-вход которого соединен с выходом Формирователя 6 остроконечных импульсов. Выход триггера 10 через триггер 14 соединен с входом элемента 16 совпадений, второй вход которого через триггер 15 соединен с выходом триггера 11, а выход через Формирователь 20 остроконечных импульсов соединен с входом элемента 23 совпадений, второй вход которого соединен с выходом КБ-триггера 22, а выход через триггер 24 - с входами формирователей 25 и 26 остроконечных импульсов, при этом выход первого из них соединен с Б-входами КВ-триггеров 27 и 30, а выход второго - с К-входами КБ- триггеров 22 и 27 и входом микропроцессора 33. Выход КЯ-триггера 27 через элемент 28 совпадений и счетчик 29 соединен с вторым входом микропроцессора 33, третий вход которого через последовательно соединенные счетчик 32, элемент 31 совпадений, КБ- триггер 30 и формирователь 21 остроконечных импульсов соединен с выходом элемента 19 совпадений, один вход которого через триггер 17 соединен с выходом тригера 12, а другой че - реэ тригер 18 - с выходом тригера 13 .Сущность способа заключается вследующем,Из исследуемых периодических сигналов Формируются последовательностиимпульсов длительностей 1 и 2, синфазных с исследуемыми сигналами,искомый угол сдвига Фаз между которыми соответствует временному сдвигу(фиг.1 а,б). Если необходимо определить Фазовый сдвиг у регулярных импульсных последовательностей, то вкачестве исходных сигналов используют импульсы этих последовательностей.Далее из каждой последовательности импульсов формируют отдельно последовательности остроконечных импульсов, соответствующих передним (Фиг,1,е, ж) и задним (Фиг.1,з,и) фронтамимпульсов исследуемых сигналов. Такиеже последовательности остроконечныхимпульсов, соответствующие передними задним фронтам импульсов, Формируются из импульсов длительностьюопорной частоты Е.25Затем формируют передний фронт центрального импульса (или серии центральных импульсов) пакета совпадений в первом и во втором измерительных каналах. Для этого на логи ческие элементы первого канала, предназначенные для Формирования переднего фронта центрального импульса, подают последоватеЛьность остроконечных импульсов, соответствующих перед- З ним фронтам первой последовательности исследуемых импульсов (Фиг.,е), и импульсы опорной частоты, а момент формирования фронта определяется моментом взаимного перехода остроко нечного импульса относительно переднего фронта импульсов опорной частоты (Фиг,1,м). Формирование переднего фронта центрального импульса во втором канале осуществляется идентично 45 путем определения момента взаимногоперехода остроконечных импульсов, полученных из второй последовательности исследуемых сигналов, и переднего фронта импульса опорной частоты 50 (Фиг.1,о).Для формирования задних фронтов центральных импульсов в первом измерительном канале на логические элементы этого канала соответственно 55 подаются остроконечные импульсы задних фронтов первой последовательности исследуемых импульсов (Фиг.1,з) и импульсы опорной частоты. При этом момент образования фронта соответствует моменту взаимного перехода один относительно другого остроконечных импульсов и задних фронтов импульсов опорной частоты (Фиг,1,н). Таким же образом формируется задний фронт центрального импульса и во втором канале (фиг,1,п), для чего используются последовательности импульсов (Фиг.1, в,б) и (фиг.1, и,л). Центральные импульсы первого и второго каналов формируют по импульсам переднего и заднего фронтов соответствующих каналов (фиг.1, р,с).Граничные условия, определяющие функциональные возможности способа Формирования центральных импульсов пакетов совпадений для измерения сдвига Фаз, вытекают из следующих соображений. Если длительности исследуемых сигналов и сигнала опорной частоты Т 1, Ф 2 , , а их периоды Т, - 1/й и Т - /Е 2 то Для ТОГО чтобы в процессе совпадений можно было выделить моменты перехода остро конечных импульсов фронтов через соответственно передний и задний Фронты импульса опорной частоты, достаточно обеспечить выполнение условия3 ) 2 /Т 1 - Т 2 /; .2 + ., ) 2 / 1При этом (в крайнем случае) образуются всего два импульса совпадений, а практически, когда реализуемая длительность формируемых импульсов намного превышает значение 6 Т/Т-Т /, образуется не одна пара.2 фсовпавших импульсов, а пакет импульсов. Однакодля реализации предлагаемого способа необходимо также, чтобы1+2 /Т,-Т, /; (2):т7=Т 2 1 2 ф 3 2:где Ф = ТзВ этом случае даже при непрерывном совпадении импульсов (фиг.З) возможно выделить моменты переходов как передних, так и задних фронтов импульсов исследуемых последовательностей и опорной частоты относитель. но друг друга.Для предлагаемого способа наиболее благоприятным условием формирования центрального импульса пакетов совпадений является случай, когда 11 А 2 1 д . Из временныж диаграмм(фиг.1) видйо, что в этом случае можно выделить всего лишь один цент- ральный импульс.Если же 1+ Фз, то в процессе совпадений образуется ряд цент ральных,импульсов, длительность которых соответствует длительности более короткого из участвующих в совпадении, а их количество определяется следующими выражениями:1 г1 - з 1 Е Е. 15(3)Ю дТгде ЬТ /Т-Т/ = И-/ 1 21 М и . Ю. - количество центральных импульсов в пакетах первого и второ го каналов.Процесс измерения сдвига Фаз заключается в формировании двух временных интервалов (Фиг.1, р,с) и определении искомого значения согласно 25 следующему выражению:Р = -- 360 = -- 3601 ч о Тц оТ, Т,(4) 30ШФгде и, в - цифровые эквивалентыТ и Т, определяемые как количество периодов Т опорной частоты междуцентральными импульсами первого пакета в первом канале и первого пакетаво втором канале и между центральными импульсами первого и второго пакетов в первом канапе соответственно,Таким образом, в качестве границполучаемых временных интервалов ис 40пользуют центральные импульсы пакетов совпадений, которые выделяют непо начальным и конечным импульсампакетов, а формируют непосредственно в моменты полного .совпадения импульсов исследуемых последовательностей и импульсов опорной частоты (для1 =Ф =Ф), т.е. в моменты взаимного перехода относительно друг другасоответствующих фронтов импульсовуказанных последовательностей,Этивременные интервалы (Т, и Т) заполняют опорной частотой и по числу периодов Т определяют значение Фазового сдвига. 55В соответствии с (1) и (2) граничные частотные возможности извест -97 6ного и предлагаемого способов опреде ляются минимальными значениямиМ 9 а ч . Однако для известного способа максимально возможная частота й 1 определяется из выражения Т = 1/Г ) 2 , а для предлагаемого способа Т % + дТ. Поскольку иэ(1) следует, что ,) ЬТ, то частотные возможности предлагаемого способа шире, чем у известного. Кроме того, предлагаемый способ может быть реализован и при 1,и ) Т /2 .и Т/2, что также расширяет его функциойальные возможности.Устройство работает следующим об" разом.Исследуемые периодические сигналы с частотой й формирователями 1 и 2 преобразуются в последовательности импульсов длительностейг Я (Фиг,1,а,б). Так как импульсы входных последовательностей синфазны с исследуемыми сигналами, то между ними сохраняется искомый сдвиг фаз Ф с соответствующим ему временный сдви-. гом , Далее входные последовательности импульсов поступают на Формирователи 3 - 6 остроконечных импульсов передних и задних фронтов (в простейшем случае - это цепочки, дифференцирующие исходные импульсы). Генератор 7 вырабатывает импульсы, длительность которых , = Ф =. , а частота их следования Й(опорная частота) близка частоте Й входных исследуемых сигналов. Импульсы опорной частоты подаются на формирователи 8 и 9 остроконечных импульсов переднего и заднего фронтов.С выходов Формирователей 1,3,4, 8 и 9 и генератора 7 последовательности импульсов поступают на информационные и тактовые входы триггеров 10 и 11 первого измерительного канала (триггеры 10 и 11, как и триггеры 12 и 13, представляют собой тактируемые КЯ-триггеры, которые переходят в состояние "1" при одновременном поступлении импульсов по входам Б и Т и устанавливаются в состояние 0 при одновременном поступлении импульсов.по входам К и Т , при комбинации сигналов К " Т Я Т 1 щ 1 триггер принимает единичное состояние, а во всех других случаях он своего состояния не меняет).На выходе триггера 10 Формируется последовательность импульсов(Фиг,1,м), передний фронт каждогоиз которых соответствует переднемуФронту центрального импульса пакетав первом канале, С выхода триггера11 таким же образом получают последовательность импульсов, переднийФронт каждого из которых соответствует заднему фронту центрального импульса (фиг.1,н). Триггеры 12 и 13выполняют такие же Функции для формирования переднего и заднего фронтов центральных импульсов пакетовсовпадений во втором канале, Счетныетриггеры 14,15 и элемент 16 совпадений с одним инверсным входом окончательно формируют центральный импульспакета в первом канале (Фиг.1,р).Триггеры 17, 18 и элемент 19 совпадений Формируют центральные импульсыпакетов совпадений во втором канале,С выходов элементов 16 и 19 центральные импульсы пакетов поступают насоответствующие Формирователи 20 и21 остроконечных импульсов,В соответствии с (4) по команде1 11Пуск триггер 22 опрокидывается,раз,.решая прохождение через элемент 28совпадений импульса, соответствующего переднему фронту центрального импульса с Формирователя 20. Первый.по счету такой импульс (после команды "Пуск" ) опрокинет триггер 24 сосчетным входом в еДиничное состояние, а второй импульс возвратит егоГв нулевое. При.этом Формирователи25 и 26 остроконечных импульсов,подключенные к выходу триггера 24, вы;делят первый и второй импульсы сГформирователя 20 в виде остроконечных импульсов переднего и заднегофронтов соответственно, Эти импульсы подаются на информационные входытриггера 27, который по приходу импульса с Формирователя 25 опрокидывается и разрешает прохождение черезэлемент 28 совпадений импульсов опорной частоты в счетчик 29 первого канала. Триггер 27 остается в опрокинутом состоянии и запись в счетчик29 продолжается до тех пор, пока наВ.-вход триггера 27 не поступит импульс с Формирователя 26. Таким образом, в счетчике 29 будет зафиксировано ш импульсов, определяющих период следования пакетов в первом канале.Подсчет количества импульсов и вовтором канале осуществляется следующим образом, После команды "Пуск" ипрохождения через элемент 23, триггер 24 и Формирователь 25 сигналаФормирования переднего фронта перво 5 го центрального импульса в первомканале потенциал на выходе триггера30 разрешает прохождение импульсовопорной частоты через элемент 311 Осовпадений в счетчик 32 второго канала. Импульс с Формирователя 21,соответствующий переднему Фронтупервого центрального импульса вовтором канале, возвращает триггер30 в исходное состояние и элемент31 совпадений закрывается. В счетчик 32 будет зафиксировано и импульсов опорной частоты.Триггер 22 возвращается в исход 20ное состояние импульсом с формирователя 26 по приходу второго центрального импульса в первом канале.Этот же импульс поступает на микро-процессор 33, разрешая обработку по 25 лученных кОдОВ и и ш В сООТВетствии с (4),В представленной схеме устройства для случая Ф ==отдельзные ее блоки (Формирователи 4,6,9,триггеры 1 1, 13, 14, 15, 1 7, 18 и элементы 16,19) могли бы быть исключены,однако они являются необходимыми вв случафПри использовании предлагаемогоспособа по сравнению с известным по 35вышается точность результата измерений и расширяются его Функциональныевозможности.Повышение точности измерения дос.тигается исключением погрешности определения центрального импульса,связанной с погрешностью определенияначала и конца пакета совпадений.Кроме того, при непосредственном Выделении центрально импульса пакета работать приходится с наиболее мощнымиимпульсами, у которых наиболее высокий уровень отношения сигнал - шум,При этом при более точном опреде 50ленин центрального импульса пакетаснижаются погрешности квантованияизмерения временных интервалов Ти Т55Формула изобретенияСпособ измерения сдвига фаз, основанный на трансформации фазового сдвига на низкую частоту путем сравнения во времени последовательностей1285397 3 импульсов, сформированных иэ исследуемых сигналов, с опорной последовательностью импульсов и последующимвыделением центральных импульсов пакетов совпадений для 51время-импульсного преобразования временных интервалов,опреде- .ляющих сдвиг фаз, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повыше ния точности измерения и расширения 10функциональных возможностей способа,выделяют центральные импульсы пакетов совпадений непосредственно путемопределения моментов взаимного перехода передних фронтов импульсов исследуемых сигналов относительно передних фронтов импульсов опорной последовательности и моментов взаимного перехода задних фронтов импульсовэтих последовательностей, а временные интервалы,цля определения сдвига фаэ формируют путем подсчета импульсов опорной частоты от началапервого центрального импульса совпадений до начала второго центральногоимпульса в первой трансформированнойпоследовательности и от начала первого центрального импульса в первойтрансформированной последовательности до начала первого центрального импульса во второй трансформированнойпоследовательности.1285397 г Составитель. М, КатановактоР С.ПекаРь ТехРед И.Попович Пилипенк Коррект Заказ 7639/47ВНИИ ПодписноР д.4 роизводственно-полиграфическое предприятие, г.ужгород, ул.Проектн Тираж 730 ПИ Государственн по делам изобрете 13035, Москва, Ж