Устройство разрешения многозначности фазовых измерений

,г6 а ь 11 ВЗНЬг, - Ый%цВЯЭТЕРНА ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Томский институт автоматизированных систем управления и радиоэлектроники (72) ВЛ 1,Денисов, В.В.Сластион и И,Г.Неплохов(54) УСТРОЙСТВО РАЗРЕШЕНИЯ МНОГОЗНАЧНОСТИ ФАЗОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ (57) Изобретение относится к измерени 1 о электрических величин, в частности фаз сигналов, диапазон изменения которых значительно превышает 360, Цель изобретения - повышение достоверности измерений при зависимых фазовых ошибках и любых соотношениях масштабных коэффициентов шкал фазового измерителя. Разрешение многозначности производится путем выполнения линейных преобразований результатов фазовых измерений. Устройство содержит фазовые датчики 1, выходы которых соединены с входами весовых сумматоров 2. Выходы последних соединены с входами блоков 4 определения остатка от округления и блоков 3 округления до целого, выходы которых через сумматоры 5 и умножители 6, подключены к входам блока 7 определения числа целых циклов. Выходы блоков 4 определения остатка от округления подключены к входам весовых сумматопсв 8. выходы которых подключены к входам блока 10 вычитания и элементов 9,1, 9,2 сравнения, Выходы элементов сравнения подключены к первым входам элементов И 12, выходы которых подключены к входам сумматоров 5. Выход блока 10 вычитания через элемент 9.3 сравнения подключен к второму входу первого элемента И 12; а через инвертор 11 к второму входу второгб элемента И 12. Вторые входы элементов 9 сравнения являются клеммами 13 пороговх кодов, 7 ил,выходы которых соединены с первыми входами соответствующих сумматоров 5.1-5,2, 50Выход первого сумматора 5,1 соединен с,55 Изобретение относится к измерению электрических величин, в частности фаз сигналов, диапазон изменения которых значительно превышает 360.Устройство может быть использовано в трехшкальных фазовых измерителях,Цель изобретения - повышение достоверности измерений при зависимых фазовых ошибках и любых соотношениях масштабных коэффициентов шкал трехшкального фазового измерителя,На фиг,1 изображена функциональная схема устройства; на фиг,2 - показаны расположение однозначных областей, их центров, соответствующие им значения чисел целых циклов и параллелограммы (изображены пунктиром) для случая масштабных коэффициентов шкал 14, 9, 8; на фиг.3 - расположение однозначных областей, их центров, соответствующие им значения чисел целых циклов для случая масштабных коэффициентов шкал 2,3,7 и для зависимых фазовых ошибок; на фиг.4 представлена функциональная схема трехвходового весового сумматора; на фиг,5 - функциональная схема блока округления до целого; на фиг.6 - функциональная схема блока определения остатка от округления; на фиг.7 - функциональная схема блока определения числа целых циклов,Устройство состоит из трех фазовых датчиков 1.1-1.3 двух трехвходовых весовых сумматсров 2,1 и 2.2 двух блоков 3.1 и 3,2 округления до целого двух блоков 4.1 и 4,2 определения остатка от округления, двух сумматоров 5.1 и 5.2, шести блоков 6.1 - 6,6 умножения, блока 7 определения числа целых циклов, двух двухвходовых весовых сумматоров 8.1 и 8,2 трех элементов 9.1-9,3 сравнения, блока 10 вычитания, инвертора 11, двух элементов И 12.1 и 12.2 клемм 13 пороговых кодов. Выходы трех фазовых датчиков 1 соединены с соответствующими входами двух трехвходовых весовых сумматоров 2, выходы которых соединены с входами соответствующих двух блоков 4 определения остатка от округления и с входами двух блоков 3 округления до целого входами первого 6.1, третьего 6.3 и пятого 6,5 блоков умножения, а выход второго сумматора 5.2 соединен с входами второго 6,2, четвертого 6,4 и шестого 6.6 блоков умножения, Выходы всех шести блоков 6,1-6.6 умножения соединены с соответствующими входами блока 7 определения числа целых циклов. Первые выходы блоков 4 определе 5 10 15 20 25 30 35 40 45 ния остатка от округления соединены с вторыми входами соответствующих сумматоров 5,1 - 5.2, а вторые выходы блоков 4 определения остатка от округления соединены с соответствующими. входами двухвходовых весовых сумматоров 8, выходы которых подключены к первым входам двух элементов 9,1, 9,2 сравнения, выходы которых соединены с первыми входами элементов И 12. Кроме того, выходы двухвходовых весовых сумматоров 8 соединены с соответствующими входами блока 10 вычитания, выход которого соединен с первым входом третьего элемента 9,3 сравнения, выход которого соединен с вторым входом первого элемента И 12.1 и через инвертор 11 с вторым входом второго элемента И 12.2. Выходы элементов И 12 соединены с третьими входами соответствующих сумматоров 5.1 - 5.2, Вторые входы элементов 9,1-9.3 сравнения являются клеммами 13 пороговых кодов.Любой фазовый измеритель может измерять разность фаз в пределах 0;2 2 г. Реальная разность фаз часто значительно превышает 2 7 т, и ее можно записать так;Ф = р + 2 л К,где Ф - полная разность фаз;р - измеренная разность фаз;К=О; -ф 1; + 2,Задача устранения неоднозначностифазовых измерений сводится к нахождениючисла К полных периодов разности фаз Ф,утраченных при измерении, В данном случае для трехшкального фазового измерителя необходимо определить вектор К=(К 1, К 2,Кз), где К - число полных периодов разностифаз, утраченных при измерени на 1-й шкале, =1,2,3. При определенных условияхможет быть реализован максимальноправдоподобный метод разрешения многозначительности фазовых измерений. Дляслучая трехшкального измерителя рассматривается трехмерное Евклидово пространство и в нем следующие векторы;по=(по 1, по 2, поз - вектор масштабныхкоэффициентов шкал фазовых измерителей;р = (у 1, р 2, р ) - вектор фазовых измерений,где р - значение измеренной разности фазпо )-й шкале;Е=(Кл, К 2, Кз) - вектор неоднозначности, где Кл - число целых циклов разностейфаз. утраченных при измерении на)-й шкалефазового измерителя,Максимально правдоподобный методразрешения многозначности сводится кгде 6 = В т 15 20 отысканию вектора К, для которого величина О имеет наименьшенее значение при. т - 1.по В р поВ р - матрица, обратная корреляционной матрице В 1 о ошибок фазовых измерений,Величину 0 можно определить следующим образом; где д и У - проекции вектора фазовых измерений р и вектора неоднозначности Р на двухмерную плоскость, перпендикулярную вектору масштабных коэффициентов йо;11 р 11 . - двухмерная квадратная матрица. Она определяется матрицей В,р и вектором масштабных коэффициентов йо.Плоскость разбивается на так называемые собственные или однозначные области. Точкам каждой из областей соответствует определенный вектор неоднозначности К. Центры областей однозначности находятся в вершинах и в центрах параллелограммов, На фиг,2 изображена структура областей однозначности для трехшкального измерителя спо=14,9,8В устройстве разрешения многозначности производится посредством вычисления двух координат проекции трехмерного вектора измерений фаз на плоскость, перпендикулярную вектору масштабных коэффициентов шкал измерителя. Однако проекция на плоскость осуществляется способом, отличным от используемого в известном устройстве. Структура областей однозначности, построенных способом, предложенным одним из авторов, рля вектора масштабных коэффициентов по=(2,3,7) изображена на фиг.З. Матрица проектирования рассчитывается так;О= 11 К 11 а,где1 К 1 - матрица размерами 2 хЗ, векторами-строками которых являются векторы неоднозначности, рля которых величинатимеет наименьшее значение, Проекции этих векторов на плоскость, перпендикулярную вектору по, представляют собой двухмерный базис и оказывают влияние на границы области однозначности. Кроме этих линейно независимых векторов на гра 30 35 40 45 50 55 ницы области однозначности влияют их. линейные комбинации, Учитывая точное расположение этих границ, существенно увеличивают достоверность разрешения многозначности фазовых измерений. Осуществляют преобразование в двухмерном базисе так, чтобы векторы-строки матрицы К 1 при проектировании на плоскость являлись единичными векторами: ф 1 лЖ =Р К 1;1=Р Р; Р=Н О,где Н - матрица преобразования;-Р - матрица проектирования и пересчета координат в единичный базис.Матрица преобразования Н рассчитывается исходя из следующих условий, Имеют исходные координаты базисных вектоРОВЖ 1, Хг Х;=О К;У 1 = 1,Ж 11, дс 12 ) Я 2 = Ж 21 Ж 22 )а также значения координатМ 1: 1, 0), дЖ=0, 1),Используя равенствами = Н М;, составляют и решают две системы линейных уравнений с двумя неизвестными. Неизвестными являются элементы матрицы Н, В новом базисе центры однозначных областей имеют целочисленные координаты, Округляя координаты точки проекции вектора р на плоскость в единичном базисе, опредеяют целочисленные координаты центра области однозначности, совпадающего с центром параллелограмма, внутри которого находится эта точка. Однако, находясь внутри данного параллелограмма, она может принадлежать области однозначности, центр которой совпадает с центром соседнего параллелограмма, Для уточнения координат центра области однозначности внутри находится точка, остатки от округления пересчитываются в исходный двухмерный базис на плоскости:-ф - 1 . фпост = НЦостСравнивают модули координат вектора пост с величинами границ области однознач 2 1 тнасти 0,5 б 1 = - К 16 К, В случае непре 2вышения ни одной из границ принимают решение, чта координаты центра параллелограмма и центра области однозначности, внутри которой находится точка, совпадают, Если есть превышение по какой-либо иэ границ, то к соответствующей целочислен 1647445ной координате центра параллелограмма прибавляется или вычитается в зависимости от знака остатка от округления д ост )единица. Таким образом получают целочисленные координаты центра области однозначности, внутри которой находится точка,Для данных масштабных коэффициентов шкал измерителя можно определить однозначное соответствие между двумя целочисленными координатами кажого из центров однозначных областей и трехмерным вектором неоднозначности, а именно при изменении величин координат центров однозначных областей пропорционально изменяются значения координат векторов неоднозначности с определенными коэффициентами пропорциональности по каждой координате,Используя целочисленные координаты центра области однозначности, вычисляют соответствующий вектор неоднозначностиф(-1) 11 К 1 Г,где Г - двухмерный вектор, координаты которого являются координатами .;,ентра области однозначности, Однако после выполнения этой операции возможна отличие оценки вектора неоднозначности г от его истинного значения К на величину, кратную вектору масштабных коэффициентов по:=Я-а по, а=О, + 1, =2,".Для устранения этой ошибки выполняется следующая операция,Координату оценки вектора Осоответствующую наибольшему масштабному множителю по, делят на этом множитель и от результата деления берут целую часть) - операция выделения целой части,Окончательно вычисляют вектор неоднозначности, соответствующий вектору фазовых измерений;КЖ-а по.Таким образом, в устройстве при разрешении многозначности фазовых измерений используется простой алгоритм сравнения координат точки на плоскости с границами области однозначности,Устройство работает следующим образом.Три фазовых датчика 1 измеряют значения дробных частей фаз у 1, Щ, рз, которые в виде двоичных параллельных арифметических и-разрядных (2" соответствует 360) кодов поступают на входы трехвходовых весовых сумматоров 2. В каждом весовом сумматоре 2 производится умножение значений 1, т 22, щ на соответствующие постоянные коэффициенты иЦ 1 =Р 11 Р +Р 12 Р.:ф = Р 21 ф 1+ Р 22 Щ Коэффициенты Р являются элементами матрицы Р, При этом координатные оси10 на фиг.3 проходят через центры ближайшихк началу координат однозначных областей.Масштабы по осям выбраны так, что центрыоднозначных областей имеют целочисленные координаты,15 С выходов весовых сумматоров 2 величины д 1, р в виде двоичных кодов поступают на входы блоков 3 округления доцелого и блоков 4 определения остатка отокругления. В блоках 3 производится опре 20деление ближайших к д 1, тр целых чисел(д 1 , (тр ),Таким образом производится определение координат центра параллелограмма, в25 котором находится проекция вектора фазовых измерений, Каждый из полученныхзначений в виде параллельного арифметиеского кода поступает на первьй вход соответствующего сумматора 5,1 - 5.2.30 55 35 40 45 50 суммирование, в результате с их выходовснимаются два значения величин т 11, тр: Кроме того, коды чисел д 1, тр с выходов трехвходовых весовых сумматоров 2 поступают на входы блоков 4 определения остатка от округления. В блоках определения остатка от округления определяются ВЕЛИЧИНЫ д 1 ост, тР ост На КОТОРЫЕ ИЗМЕНЯются величины ц 1, тр после округления доцелого, Информация о знака;. остатков от округления в виде сигналов, уровней логической "1" или "0" с первых выходов блоков 4 определения остатков от округления поступает на вторые входы соответствующих сумматоров 5,1 - 5.2, Коды значений величин т 1 ост, фост с вторых выходов поступаютна входы двухвходовых весовых сумматоров 8, В каждом весовом сумматоре 8 проиэводИтСя уМНОжЕНИЕ ЗНаЧЕНИй Гтосттр ост Насоответствующие весовые коэффициенты и суммирование, в результате чего с их выходов снимаются два значения величин Ц 1 остф ост:1,ф ост = "11 Ц 1 ост + п 12 т 2 ост- 1Ц 2 ост = П 21 т/1 ост + 122 12 ост Коэффициенты Ь являются элементами матрицы НС выходов весовых сумматоров 8 величины Ц 1 ост, 172 ост поступаютввидедвоичных арифметических параллельных кодов на входы двух элементов 9,1. 9,2 сравнения; на вторые входы которых с клемм 13 порогового кода поступают коды расстояний от центра области однозначности до 2 двух границ вдоль оСей координат; 0,5 б 1, 0,502 .2 Кроме того, с выходов весовых сумматоров 8 величины д 1 ост, 1 рост поступают в виде двоичных арифметических параллельных кодов на вход блока 10 вычитания. Схема вычитания выполняет операциюАЧ =Ц 1 ост 12 ост,результат которой затею поступает на вход третьего элемента 9.3 сравнения, нэ второй вход которого с клеммы 13 порогового кода поступает код расстояния от центра области однозначности до другой ее границы вдоль вектора, являющегося линейной комбинацией базисных. 0,5 бзоз =03 66 К,З=Р 1 - 2,В случае превышения какой-либо из границ области однозначности на выходе соответствующего элемента 9,1-9.3 сравнения появляется уровень логической "1", Эти сигналы с выходов первых двух элементов 9.1 и 9,2 сравнения поступают на первые входы соответствующих элементов И 12, С третьего элемента 9.3 сравнения сигнал логической "1" или "0" поступает на второй вход первого элемента И 12.1 и через инвертор 11 на второй вход второго элемента И 12.2. При появлении на Всех входах элемента И 12 уровней логической "1" на ее выходе также появля:ется уровень логической "1", который поступаеФ на третий вход одного из сумматоров 5,1-5,2, С выходов сумматоров 5,1-5,2 целочисленные коды координат центра области однозначности 11 , 1 рпоступают на входы блоков 6.1 - 6.6 умножения, причем каждый из этих кодов поступает на входы трех блоков умножения, где производится умножение на постоянные коэффициенты - К 11, Кц - элементы матрицы (-1)К1,В блоке 7 определениячисла целых циклов происходит суммирование величин, которые поступают нэ его входы с выходов блоков 6.1-6.6 умноженияМ 1 = - К 11 Сд 1+-К 12) Щ 1; И 2 = - К 21 (Ц 1+( - К 22 )(12 ; Ь= - Кз 1 р+-Кз 2) Ъ5 10 15 20 и определение числа целых цикловК 1=Й 1 дП 01:к 2=Й 2 - а002;КЗ=ИЭ-Э поЗКоды чисел целых циклов к 1, к 2, кз поступают на выход блока 7 определения числа целых циклов, причем выходы этого блока являются выходами устройства разрешения многозначности,На фиг,4 изображен трехвходовой весовой сумматор 2, который включает в себя три умножителя 14, запоминающий блок 15, трехвходовой сумматор 16, При работе весового сумматора на входы умножителей 14 поступают коды чисел р 1, щ, р 1 с фазовых датчиков 1,1, 1.2, 1.3, которые необходимо просуммировать с весовыми коэффициентами Р 11, Р 12, Р 1 з. Коды весовых коэффициентов поступают на вторые входы умножителей 14 с запоминающего блока 15. С выходов умножителей результаты произведений поступают на вход сумматора 16, выход которого является выходом весового сумматора,25 На фиг,5 изображена функциональнаясхема блока 3 округления до целого, который включает в себя сумматор 17, элемент 18 сравнения, запоминающий блок 19, Нэ вход А подается целая часть числа с выхода 30 блока 2, На вход Б подается знак числа свыхода блока 2. В запоминающем блоке 19 хранится код числа 0,5, Если дробная часть числа больше, чем 0,5, на выходе элемента 18 сравнения появляется уровень логиче ской "1", который поступает на второй входсумматора 17. После суммирования нэ выходе .умматора 17 появляется код числа, округленного до ближайшего целого значения.40 На фиг.6 изображена функциональнаясхема блока 4 определения остатка от округления, который включает в себя запоминающий блок 19, сумматор 20, элемент 21 сравнения, блок 22 вычитания. На В вход 45 подается целая часть числа с выхода блока2. На вход Г подается знак числа с выхода блока 2, На вход Д подается дробная часть числа с выхода блока 2. В запоминающем блоке 19 хранится код числа 0,5. Если дроб нэя часть числа больше, чем 0,5, на выходеэлемента 21 сравнения появляется уровень логической "1", который поступает на второй вход сумматора 20. После суммирова- " ния на выходе сумматора 20 появляется код 55 числа, округленного до ближайшего целого,который поступает на вход блока 22 вычитания, на другие входы которого поступают коды целой и дробной частей исходного числа, а на четвертый вход - знак этого числа, 1647445 12На выходе схемы вычитания появляется код остатка от округления исходного числа.На фиг,7 изображена функциональная схема блока 7 определения числа целых циклов, включающая в себя двухвходовые сумматоры 23, умножитель 24, узел 25 выделения целой части, умножители 26, сумматоры 27, запоминающий блок 28, Входы сумматоров 23 соединены с соответствующими выходами блоков 6.1 - 6.6. На входы двухвходовых сумматоров 23 поступают коды чисел, являющихся результатом произведений - К 11 11 , - К 12 ф , -К 1 11 , - КЬп 2, - К п 1, - Кз 2 п 2. С выходов сумматоров снимаются значения кодов чисел й 1, й 2, йз, которые поступают на первые входы сумматоров 27, Код числа йз, соответствующего наибольшему масштабному коэффициенту поз, поступает на вход умножителя 24, на второй вход которого с запоминающего блока 28 поступает код числа - 1/поз. Код резупьтата произведения поступает на вход узла 25 выделения целой части, с выхода которого код числа а поступает на входы умножителей 26. На вторые входы умножителей 26 с запоминающего блока 28 поступают коды чисел по 1, по 2, поз, С выходов умножителей 26 коды чисел поступают на вторые входы сумматоров 27, с выходов которых снимаются значения кодов чисел 1 с 1=й 1-а пО 1; Ь 2=йг-а по 2; 1 сз-йз-а поз. В качестве примера рассматривают работу устройства при векторе масштабных коэффициентов баз фазового измерителя по-(2,3,7). Структура областей однозначности изображена на фиг.3. Векторам К 1-(1,2,4) и К 2 (-1,-1,-2) соответствуют наименьшие значения 0,5 б 1 и 0,5 д 2 . Корреляционная матрица фазовых ошибок имеет вид1 0,5 0,5 В, = 0,5 1 0,505 О 5 1При данных условиях в трехвходовых весовых сумматорах 2 производится сложение результатов измерений фазовых датчи,.ков 1 с весами - 1; 2.65; - 0,83 и - 2; 0,76; 0,88. Пусть в результате фазовых измерений полученызнвченияр =0,8; тщ =0,5: уз =0,7. тогдад 1-10 8+2 65 0.5-0 83 0 7 - 0.052 3 р "2 0,8-0,76 "0,5+0,88 0,7- -1,365,В блоках 3 выполняется округлениед и тр до ближайших целых чисел111=О, Р= - 1,Значения этих чисел поступают на первые входы сумматоров 5.1-5.2. В блоках 4определяются остатки от округления:Ц 1 ост .= - 0,052фост = 0,365,,В двухвходовых весовых сумматорах 810ПрОИЗВОдИтСя СУММИрОВаНИЕ т 1 ост И ф остс весами 0,104; 0,034; 0,034; 0,118.У 71 ост =0,104 (-0,052)+0,034 ( - 0,365)== - 0,04.Блок 10 вычитания выполняет операциюЬ 1 = 11 ост ф ост = - 0,02+0,04=0,02,20 В элементах 9.1-9.3 сравнения происходИт СраВНЕНИЕ ВЕЛИЧИН 1 д 1 ост 1: 1 прост 1:1 р ост 1 с числами. соответствующими пороговым кодам1 ф ост 1 0,052; 1 ф ост 10.059;25 1 Ьдост 1 0,077,На выходах элементов 9,1 - 9,3 сравнения появляются уровни логических "О", и навходах элементов И - те же уровни, С выходов сумматоров 5,1-5.2 значения чисел30ф и дгпоступают наблоки 6.16,6, где умножаются на постоянные коэффициенты -1; -2; -4 и 1; 1;2. С выходов блоков6.1 - 6.6 результаты умножений поступаютна входы блока 7 определения числа целыхциклов, где выполняются операцииЙ 1= -1 О+1 (-1)= -1;й 2 =-2 О+1 (-1)= -1;йз=-4 О+2 (-1)=-2;40 а=. = 7 -- О,(.) - операция выделения целой частиК 1= -1 -О 2= -1К 2 =-1-03=-145 Кз =-2 -0 7= -2где К 1, К 2, Кз - числа целых периодов разностел фаз, утраченных при измерениях соответственно на первой, второй и третьейшкалах.Методическое моделирование алгоритма работы устройства показывает, что увеличение достоверности по сравнению сустройством, известным ранее, возможноболее чем вдвое.55Фо р мул а изобретен и я Устройство разрешения многозначности фазовых измерений, содержащее три фазовых датчика, выходы которых соединены с входами двух трехвходовых весовыхсумматоров, выходы которых соединены с входами соответствующих двух блоков определения остатка от округления и с входами двух блоков округления до целого, выходы которых соединены с первыми входами соответствующих сумматоров, шесть блоков умножения, входами соединенные с выходами сумматоров, причем выход первого сумматора соединен с входами первого, третьего и пятого блоков умножения, а выход второго сумматора - с входами второго, четвертого и шестого блоков умножения, выходы всех шести блоков умножения соединены с соответствующими входами блока определения числа целых циклов, первые выходы блоков определения остатка от округления соединены с вторыми входами сумматоров, вторые выходы - с входами первого двухвходового весового сумматора, выход которого соединен с первым входом элемента сравнения, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения достоверности фазовых измерений при зависимых ошибках трехшкального фазового измерителя, в него введены второй двухвходовый весовой сумматор, блок вычитания, второй и третий элементы сравнения, инверт; р, два двух входовых элемента И, причем вторые выходы блоков определения остатка от округления соединены с входами второго двухвходового весового сумматора, выход которогосоединен с первым входом второго 10 элемента сравнения, а выходы первого ивторого элементов сравнения соединены с первыми входами элементов И, кроме того, выходы двухвходовых весовых сумматоров соединены с входами блока вычитания, вы ход которого соединен с первым входомтретьего элемента сравнения, выход которого соединен с вторым входом первого элемента И и через инвертор с вторым входом второго элемента И, а выходы элементов И 20 соединены с третьими входами первого ивторого сумматоров, вторые входы элементов сравнения соединены с источниками установки пороговых кодов,1 б 47445 Редактор Т.Юрч Тираж 425арственного комитета по изобр 113035, Москва, Ж, Раущс изводственно-издательский комбинат "Патент", г. Уж л. Гагарина, 1 О каз 1648 ВНИИПИ Го Составитель Ю.Мака Техред М.Моргентал ич Корректор Л,Бес Подписноеениям и открытиям при ГКНТ СССая наб 4/5