Цифровой фазометр

СОЮЗ СОВЕСОЦИАЛ ИСТИЧРЕСПУБЛИК х А 1-перехода иснутыи код за гистр, и одтся в первыи к радио",. ожет быть . гла с ви времен ж, нар актерГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГННТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБР К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(21) 4298669/24-21(56) Авторское свидетельство СССРУ 1084695, кл. С 01 К 25/00, 1984.Авторское свидетельство СССРУ 1323979, кл С 01 К 25/00,(57) Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может бытьиспользовано для измерения угла сдвига фаз между двумя сигналами. С цельюповьппения точности и быстродействияодин из сигналов, между которымиизмеряется разность фаз (опорный),преобразуется в меандр с Фронтом,совпадающим с его нуль-переходом. Вмомент такого же нуль-перехода другого (исследуемого) сигнала формируется короткий импульс. В специальнойлинии меандр заполняется сериямиквантующих импульсов, сдвинутых по Изобретение относитсяизмерительной технике и миспользовано для измерения у дга фаз между двумя периодическимиэлектрическими сигналами.Цель изобретения - повышение точности и быстродействия устройства.На фиг.1 изображена структурнаясхема устройства; на фиг,2 -Ные диаграммы а, б, в, г, д,сигналов в соответствующих хных точках схемы; на фиг,3 - схемафазе и жестко синхронных по временис фронтом меандра. Количество импульсов с выхода,в котором сдвиг фазы относительно нуль-перехода нулевой, отсчитывается до прихода импульса от нуль-перехода исследуемого сигнала и составляет целое число квантов" фазы. Сигналы с выходов цепочкиэлементов задержки образуют код, который меняется во времени так, что маркируется каждая доля текущего (незаконченного) кванта" фазы. Б момент прихода импульса от н следуемого сигнала у писывается во второй новременно переписыв регистр содержимое счетчика целых"квантов" фазы, имеющееся к этому моменту. Сумма чисел, записанных в первом и втором регистрах, с учетом ихвеса определяет искомую разностьфаз, Синхронность квантующих импульсов и возможность определения доли"кванта" фазы обеспечивают достижение по жительного эффекта, 5 ил. тическая иллюстрация процесса маркировки и кодирования долей текущегокванта и фазовых соотношений сигналов на выходах квантующей линии задержки (также диаграммами логических уровней сигнала); на фиг.4 - временные диаграммы а, б, в, ж, к, д,л, з, и сигналов в соответствующихточках схемы при появлении опережения второго входного сигнала по отношению к первому и соответствующейсмены знака фазы; на Аиг.5 - функ 3 1499264циональная схема для реализации сумматора-дешифратора.Цифровой фазометр содержит формирователь 1 опорного полупериода,формирователь 2 импульсов исследуемого сигнала, причем входы формирова"телейи 2 соединены с соответствующими выходами коммутатора 3 входныхсигналов. Первый прямой выход формирователя 1 опорного полупериода ивыход формирователя 2 импульсов исследуемого сигнала соответственно соединены с входами ключевого элемента4, выход которого соединен с входом 15триггера 5 выделения знака, выходпоследнего соединен с управляющимвходом коммутатора 3 и с знаковыминформационным выходом фазометра,Второй (инверсный) выход формировате" 20ля 1 опорного полупериода соединенс входом формирователя 6 импульсовинвертированного опорного сигнала ичерез элемент 7 задержки с входомформирователя 8 импульса разрешения 25обнуления, выход которого подключенк управляющему входу счетчика 9 квантующих импульсов и к одному из входов управляющего триггера 1 О, выходпоследнего подключен к одному из 30входов второго ключевого элемента 11Фазометр содержит также первый регистр 2, второй элемент 13 задержки,сумматор-дешифратор 14, второй .регистр 15 и квантующую линию 16, задержки, состоящую из элементов ИЛИ17.17.п с прямым и инверснымвыходами (ИЛИ-НЕ/ИЛИ), между первымвыходом каждого из которых и первымвходом последующего включены элемен- ,40ты 18.118.пзадержки, а такжедополнительного элемента 19 задержки,включенного между вторым входом пер-вого элемента ИЛИ-НР/ИЛИ 7,1 и вто-рым выходом одного из остальных элементов ИЛИ-НЕ/ИЛИ квантующей линиизадержки. Первый вход первого элемента ИЛИ-НЕ/ИЛИ 17.1 и вторые входывсех остальных этих элементов являются входом линии 16, который подключен к первому выходу формирователя 1опорного полупериода. Вторые выходы,всех элементов 17 линии 16 подключены к входам второго регистра 15,первый вход которого соединен ссчетным входом счетчика 9 квантирующих импульсов, информационные выходы которого через первый регистр2, служащий для записи целого числа периодов квантующих импульсов, подключены к .информационным входам сумматора-дешифратора 14, к вторым информационным входам которого подключены информационные выходы второго регистра 15. Информационные выходы сумматора дешифратора 14 являются выходом устройства, Выход формирователя 2 импульсов исследуемого сигнала подключен к управляющим входам первого и второго регистров 12 и 15, выход ключевого элемента 4 через второй элемент 13 задержки подключен к второму входу управляющего триггера 10, выход формирователя 6 импульсов инвертированного опорного сигна" ла подключен к второму входу второго ключевого элемента 11, выход которо" го соединен с управляющим входом сум матора-дешифратора 14.Второй регистр 15 содержит то же количество разрядов, что и количество фаз, генерируемых в квантующей линии 16 задержки (на фиг. и 3 изображена генерация пятифазных сигналов). Запись сигналов в регистр должна осу ществляться за время, меньшее Ть/2 п, где и - количество счетных долей периода квантующих импульсов, Ть - период квантующих импульсов. Длительность и форма управляющих сигналов определяются формирователями 2 и 6.Сумматор-дешифратор 14 на (фиг.1) суммирует информацию с регистров 12 и 15 с соответствующим весом, обеспечивая одновременно запись получен- ного кода в выходной регистр по внешней команде. Пример реализации сумматора-дешифратора изображен на фиг.5, Код, соответствующий. количеству. прошедших целых квантов, поступает из регистра 12 в умножитель 20, где он умножается на постоянную величину, равную 2 п (количество счетных долей периода квантующих импульсов). Полученное число суммируется в сумматоре 21 с количеством отсчитанных долей в прошедшей части незавершенного кванта, которое поступает из регистра 15, и передается в дешифратор 22. В дешифраторе код, соответствующий суммарному количеству отсчитанных долей кванта, преобразуется в код разности фаз. Запись результата в вы-. ходной регистр 23 производится по команде из ключевого элементаФормирователь импульсов исследуемого сигнала обеспечивает длитель 1499264ность импульсов, меньшую длительности счетной доли кванта (т.е. Ткь /2 и). Вершина"импульса может соответство-вать как логической "1", так и логическому "О" в зависимости от выбран 5 ной реализации ключевого элемента 4 и регистров 12 и 15 (Фиг.1). На временных диаграммах(фиг.2 и 4) принято для определенности, что вершина импульса соответствует логическому нулю.Ключевой элемент 4 (фиг,1) должен пропускать импульс от формирователя 2 только при значении сигнала на выходе формирователя 1 опорного полупериода, соответствующего запертой линии 16, На временной диаграмме фиг,4 этому состоянию отвечает логическая "1" в точке 620Счетчик 9 квантующих импульсов производит счет по переходам от логического нуля к логической единице, причем в зависимости от сигнала на управляющих входах ведется либо счет импульсов, либо запись кода, поданного на его информационные входы.Устройство работает следующим образом.В исходном состоянии, т.е. при отсутствии сигналов ,и 0 на входахкоммутатора 3, на выходе Б (фиг,1, 2, 4) формирователя 1 имеет место уровень логической единицы (высокий уровень), соответственно на прямых выходах элементов ИЛИ-НЕ/ИЛИ 17.117.и также будут иметь место уровни логической единицы, а на их инверсных - уровни логического нуля. Состо. яние коммутатора 3 зависит от состоя ния триггера 5 выделения знака. При этом возможны два варианта состояния: первый, когда на выходе триггера 5и 1 имеет место потенциал логической 1 и напряжение 1 поступает на формирователь 1 через выход в.точке Ц в виде опорного напряжения, а 11 - на формирователь 2 через выход в точке .8 в качестве исследуемого напряжения; второй, когда на выходе триггера 5 имеет место потенциал логического "О", и напряжение 1 поступает на формирователь 2 в качестве исследуемого, а напряжение 1 - на форМирователь 1 в качестве бпорного.55Работа устройства описывается двумя возможными случаями.В первом случае коммутатор 3 вклю; чек по,варианту 1; напряжение отстает по фазе от Г, менее чем на 180 (во всех пояснениях имеется в виду установившийся режим). С появлением сигнала 1 и 1 на выходе Ь устанавливается меандр с частотой опорного сигнала. Отрицательный фронт и далее низкий уровень меандра (уровень логического нуля) с выходаблока 1 формируется низкий уровень на прямом выходе элемента ИЛИ-НЕ/ИЛИ 171 и разрешает формирование низких уров" . ней на прямых выходах элементов 17,2- 17.(ь; 1) линии 16. Низкий уровень с первого выхода элемента 17.1 с задержкой= -- на элементе 18.1Ткьизадержки (где Т кб - период квантующих импульсов, и - количество формирующих элементов 17) поступает на вход элемента 17.2 и формирует низкий уровень на его прямом выходе и высокий (логическая "1") - на инверсном выходе 24.1, Далее низкий уровень проходит вдоль линии из элементов 18,2-17.3-18,3-17.4- 18.и- 17.и с задержкой в каждой группе элементов 18-17 на ту же величину а высокий уровень проходит с задержкой д в элементе 19 на второй вход элемента 17.1 и запирает его, формируя на его прямом выходе снова высокий уровень, Сумма задержектндолжна быть равна . В частном слу 2чае, изображенном на Фиг.1, 1 С +Ткь+ 12Следует отметить, что элемент 19 задержки может быть подключен к инверсному выходу любого другого элемента 17, Достаточно только, чтобы выполнялись условиятка1 + ш = - ф 2 где ш - номер элемента ИЛИ-НЕ/ИЛИ 7,выход которого соединен с дополнительньи элементом 19 задержки,иСформировавшийся высокий уровеньраспространяется по цепочке 17"18-17с теми же задержками, что и низкий.В результате последовательных сменнизкого и высокого уровней на инверсных выходах 24.1-24.и устанавливаются сигналы, временная диаграмма которых изображена на Фиг.З для14992 б 4 10 15 запись информации. В регистр 12.эа 20 писывается целое число квантов, про 25 30 35 40 45 55 случая и - "5, ш = 1.Их период равенпериоду квантующего сигнала. Этисигналы существуют до тех пор, покана выходе Ь формирователя 1 поддер 5живается уровень логического нуля(низкий уровень), т.е. в первый полупериод рабочей частоты.С выхода 24.1 квантующий сигналпоступает на счетный вход счетчика 9,наращивающего содержимое по переходамот логического "О" к логической "1",т.е, по положительным фронтам. Поскольку первый положительный Фронт появляется одновременно с фронтом опор-,ного полупериода, количество импуль-сов, отсчитанное счетчиком 9, наединицу превышает количество прошед.",ших целых квантов фазы. Для устранения такого эффекта, а также дляисключения воздействия возможныхпомех, счетчик 9 обнуляется перед 1каждым циклом счета. Чтобы это обеспечить, отрицательный фронт инвертированного опорного полупериода сформирователя 1 соответствующиймоменту окончания генерации квантую"щих импульсов) задерживается в элементе 7 на интервал времени, несколько меньший опорного полупериода,и подается в формирователь 8, в котором создается импульс с фронтом,совпадающим с фронтом пришедшегомеандра, и такой длительности,чтобы его срез (момент й на Фиг.2)опережал положительный фронт опорного полупериода на инверсном выходе формирователя 1 менее, чем напериод кванта, Ткь ( фиг.2, сигнал в точке). Этот импульс подается на управляющие входы счетчика9 и разрешает запись сигналов с информационных входов счетчика, на ко-:торых постоянно установлены уровнилогического нуля. Так как разрешениеприходит раньше первого положительного фронта, то этот Фронт обнуляетсчетчик, и счет начинается со второго фронта. Следовательно, в счетчике отсчитывается точное количествопрошедших целых квантов. Интервалы,меньшие кванта, контролируются посигналам с выходов 24.1-24.п. Распре"деление этих сигналов во: времениизображено на фиг.3. Рсли фиксировать одновременно сигналы, со всехвыходов 24,1-24,п одновременно, тоони образуют а-разрядный код, который меняется во времени с шагом Ть/2 п (фиг.З, на которой приведенысигналы в виде логических уровней,а коды записаны колонками в таблицев нижней части рисунка для случаяп = 5). Следовательно, значение кодав промежутке между отсчитываемымифронтами квантующих импульсов определяют прошедшую к моменту отсчета долю текущего квантующего периода с разрешающей способностью Ть/2 п.В момент 11 (Фиг.2), соответствующий отрицательному переходу через ноль исследуемого сигнала ГиссА на выходе Формирователя 2 формирует", ся короткий импульс (на фиг, и 2 диаграмма в точке Яс). Этот импульс дает команду в регистры 12 и 15 на шедшее до прихода команды на запись информации, а в регистр 15 - код, соответствующий величине доли неэавершившегося кванта (по сигналам 24 1-24 и)Информация от обоих регистров под" водится к сумматору-дешифратору 14. В нем количество целых периодов суммируется с величиной доли последнего незавершившегося кванта, преобразуется в код разности фаз и запоминается.Разрешение на запоминание (обновление) информации на выходе сумматора-дешифратора 14 поступает с выхода 3 формирователя 1 через формирователь б. Формирователь б формирует импульс в момент й, (фиг.2) отрица- тельного перехода через ноль сигнала на выходе 3 . По отношению к прямому выходу формирователя 1 это будет импульс в момент перехода черезнуль опорного сигнала в положительном направлении. Этот импульс проходит через подготовленный ключ 11и дает команду в сумматор-дешифратор14 на запоминание информации.Подготовка второго ключевогоэлемента 11 осуществляется триггером10, который по импульсу с выходаформирователя 8 устанавливается всостояние логической "1",Временные диаграммы процессов вфазометре изображены на фиг.2,Во втором случае коммутатор 3включен по варианту 1, но напряжение0 опережает П по Вазе не более,чем на 180(фиг,4). Тогда блоки 1,1718,19,8 и 9 работают также, как и в35 случае 1, но импульс с Формирователя2 команда на фиксацию значения раз"ности фаз) приходит тогда, когда уровень логического нуля опорного полу 5периода на выходе Ь Формирователя 1.уже сменился уровнем логической еди-ницы. Этот уровень поступает на ключевой элемент 4, подготавливает егок работе, и когда на выходе мс Форми.рователя 2 появляется импульс, онпроходит через элемент 4 на входтриггера 5. Выходной сигнал триггера5 изменится с "1" на "0", и коммутатор 3 переключится по варианту 2. 15При этом нулевой логический сигнал свыхода триггера 5 будет воспринятна информационном выходе как знакплюс (исследуемый сигнал опережаетопорный). 20При переключении коммутатора 3уровень логической "1" на выходе вформирователя 1 сменится на логический "0". Из-за инерции коммутатора 3и элементов управления эта смена может произойти с запозданием и темсамым внести погрешность в следующий за этим цикл измерений. Чтобыисключить подобное явление, допол.нительный сигнал с элемента 4 через 30второй элемент 13. задержки (с задержкой, несколько меньшей длительности половины периода меандра) пере"" водит триггер 10 в состояние логичес."кого нуля, то есть запирает второйключевой элемент 11, Тем самым запрещается прохождение команды на заЙись (смену) информации на выходесумматора-дешифратора 14 до следующего нормального (без переключения) измерительного цикла.Из описания работы фазометра видно, что как при опережении первогосигнала на входе вторым, так и приего отстаивании на выходе устройства 45будет иметь место информация.о величине и знаке разности Фаз.Положительный эффект предлагаемотго устройства состоит в том, что одновременно повышается точность определения разности фаз и обеспечивается измерение Фазового сдвига за одинпериод опорного сигнала, что повышает быстродействие. При этом при прочих равных условиях увеличение точности не связано с уменьшением быст родействия.Использование когерентного кван"тующего сигнала полностью,исключа-,ет дополнительную погрешность из-за1несинхронности квантуннцего сигнала и заполняемого им временного интервала, соответствующего углу сдвига фаз. Интервал между моментом прихода команды на измерение и срезом последнего кваитующего сигнала контролируется Фиксацией кода с выходов линии. Поэтому уменьшается также погрешность из-за некратности периода кванта длине измеряемого интервала.Формула изобретения1 ифровой фазометр, содержащий формирователь опорного полупериода и формирователь импульсов исследуемого сигнала, входы которых подсоединены к соответствующим выходам коммутатора входных сигналов, первый выход Формирователя опорного полу- периода и выход формирователя импульсов исследуемого сигнала соответственно соединены с входами ключевого элемента, выход которого соеди-. нен с входом триггера выделения знака, выход последнего соединен с уп- равляющим входом коммутатора входных сигналов и является знаковым информационным выходом, второй выход формирователя опорного полупериода подключен к входу Формирователя импульсов инвертированного опорного сигнала, Формирователь импульсов разрешения обнуления, выходом подключенный к первому входу управляющего триггера, выход которого подключен к первому входу второго ключево" го элемента., первый и второй регистры, первый и второй элементы задержки и счетчик квантующих импульсов, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности и быстродействия, в него дополнительно введены сумматор-дешифратор, квантующая линия задержки, состоящая из и+1 элементов ИЛИ, между первым выходом каждого из которых и первым входом последующего включения и квантующих элементов задержки, идополнительного элемента задержки, 1включенного между вторым входом первого элемента ИЛИ и выходом одного из последующих элементов ИЛИ квантующей линии задержки, первый вход пер.вого элемента ИЛИ и вторые входы всех остальных элементов ИЛИ под149926412 иг,1 Состою Е Ченчи ключены к первому выходу формирователя опорного полупериода, а вторые выходы элементов ИЛИ подключены к входам второго регистра, первый вход которого соединен со счетным входом счетчика квантующих импульсов, уп- . равляющий вход которого соединен с первым входом управляющего триггера, а информационные выходы которого через первый регистр подключены к первым информационнМм входам сумматора-дешифратора, к вторым информационным входам которого подключены информационные выходы второго регистра, второй выход формирователя опорного полупериода соединен черезМг первый элемент задержки с входом формирователя импульсов разрешения обнуления, выход формирователя импульсовисследуемого сигнала подключен к уп"равляющим входам первого и второгорегистров, выход первого ключевогоэлемента через второй элемент задержки подключен к второму входу управляющего триггера, выход формирователя импульсов инвертированного опорного сигнала подключен .к второмувходу второго ключевого элемента, вы"ход которого соединен с управляющимвходом сумматора-дешифратора, инфор"мационные выходы которого являютсявходами цифрового фазометра.1499264 Выход Составитель Ю. МакаревичПатрушева Техред А.Крввчук едакт ектор Т. Малец Производственно-издательский комбинат "Патент", г.укгород, ул. Гагарина,101 Заказ 4686/43 Тирак 713 ВНИИПИ Государственного комитета по изо 113035, Москва, Ж, РПодписноетениям и открытиям при ГКНТ СССская наб., д. 4/5