Цифровой фазометр

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 109 0 0 1 К 2 5 / ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН СТВУ ВТОРСКОМУ Сви мерения форми- сигнала ключевого1 ЛИ. Фазоор вход- импульсов ер выдеиггер, остоящую ентов замента заимпульсов, ратор и жки,о эле радиоизмеыть испол двига фа электрисодер стояорно льсо рм уль- счетр выдевходаменеральсо соеди вно ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИПРИ ГКНТ СССР(56) Авторское свидетельство СССР У 1323979, кл. 0 01 К 25/00, 1987.Авторское свидетельство СССР1499264, кл, С 01 К 25/00, 1988. (54) ЦИФРОВОЙ ФАЗОМЕТР(57) Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано для измерения угла сдвига фаз между двумя периодическими электрическими сигналами. Изобретение Изобретение относится к рительной технике и может б зовано для измерения угла с между двумя периодическими ческими сигналами,Известен цифровой фазометр жащий первый формирователь, с щий из формирователя меандровго сигнала и формирователеи имположительных и отрицательныхпереходов опорного сигнала, фватель импульсов положительныхпереходов исследуемого сигналчик тактовых импульсов, триггления знака, три элемента И,первого иэ которых подключентор когерентных квантующих ими управляющий триггер, а выходнен с вычитающим входом ревер решает задачу повышения потенцианой ра.зрешающей способности изразности фаз, Задача решается завведения в цифровой фазометррователя импульсов опорного2 (и+1) триггеров третьегоэлемента и двух элементов 1метр содержит также коммутатных сигналов, формировательдва ключевых элемента, триггления знака, управляющий трквантующую линию задер сиз и+1 элементов ИЛИ,мдержки и дополнительного эледержки, счетчик квантующихдва элемента задержки, дешифрегистр. 4 ил%счетчика, коммутатор опорного и исследуемого сигналов, дешифратор, сумматор, четвертый элемент И, первый и второй регистры и триггер-формирователь пьедесталов задержки, при этом входы формирователей подключены через коммутатор к источникам опорного и исследуемого сигналов, выход формирователей отрицательных нуль-переходов опорного сигнала подключен к входу 1 11Сброс триггера управления, к одному из входов второго элемента И и сбросовому входу триггера формирователя пьедесталов задержки и через элемент задержки к входу "Занесение" реверсивного счетчика и к счетному входу счетчика тактовых импульсов,. выходы которого через децифратор подключены к входам первого слагаемогосумматора и к второму входу второгоэлемента И, входы "Сброс" первого регистра и счетчика тактовых .импульсовсоединены с (и+1)-м выходом дешифратора, установочные входы первого регистра соединены с выходами сумматора, соединенными также с установочными входами реверсивного счетчика,выходы первого регистра соединены с 10установочными входами второго реги,стра и выходами второго слагаемогосумматора, импульсный выход реверсивного счетчика подключен к стартовомувходу триггера-формирователя пьеде, сталов задержки, выход которого под ключен к одному из входов третьегоэлемента И, выход которого подклю-чен к входу "Занесение" первого регистра, а второй вход соединен с выходом формирователя импульсов положительных нуль-переходов исследуемого сигнала и одним из входов четвертого элемента И, второй вход которо го подключен к инверсному выходу формирователя меандра опорного сигнала,а выход - к стартовому входу тригге ра выделения знака, прямой выход формирователя меандра опорного сигналачерез формирователь импульсов положительных нуль-переходов подключен к, стартовому входу управляющего тригге ра и непосредственно к управляющему, входу генератора когерентных квантующих импульсов, выход второго элемента И через элемент задержки подключен к сбросовому входу триггеравыделения знака и непосредственно квходу "Занесение" второго регистра,выход триггера выделения знака подключен к управляющему входу коммутатора и к установочному входу второгорегистра, выходы которого являютсявыходом устройства.Недостатком фазометра являетсяжесткая связь между точностью и быстродействием, При этом повышениеточности при прочих равньи условияхдостигается за счет уменьшения быстродействия, так как результат измерения угла сдвига фаз между опорными исследуемым сигналами считываетсялишь по окончании измерительного цикла, включающего в себя и периодовопорного сигнала, где и - количество5разрядов в отсчете фазы,Наиболее близким к предлагаемомуявляется цифровой фазометр, содержащий формирователь опорного и исследуемого сигнала, входы которых соединены с соответствующими выходами коммутатора входнык сигналов, первые выходы формирователей сигналов соединены через ключевой элемент с входом триггера выделения знака, выход которого соединен с управляющим входом коммутатора и с знаковым информационным выходом Аазометра второй выход формирователя опорного сигнала через элемент задержки и формирователь импульса разрешения обнуления подсоединены к управляющему входу счетчика квантующих импульсов и к первому входу управляющего триггера, второй вход которого через второй элемент задержки соединен с выходом первого ключевого элемента., а выход подключен к первому входу второго ключевого элемента, второй вход которого через формирователь импульсов инвертированно/го опорного сигнала подключен также к второму выходу формирователя опорного сигнала, квантующую линию, состоящую из и+1 элементов ИЛИ, между первым выходом каждого из которых и первым входом последующего включены и квантующих элементов задержки, и дополнительного элемента задержки, включенного между вторым входом первого элемента ИЛИ,и выходом одного из последующих эдементов ИЛИ, первый вход первого элемента ИЛИ и вторые входы всех остальных элементов ИЛИ квантующей линии подключены к первому выходу формирователя опорного сигнала, вторые выходы всех элементов ИЛИ подключены к входам первого регистра, первый вход которого соединен со счетным входом счетчика квантующих импульсов, информационные выходы которого через второй регистр, служащий для записи целого числа периодов квантующих импульсов, подключены к информационным входам сумматора-дешифратора, к вторым информационным входам которого подключены информационные выходы первого регистра,. управляющие входы обоих регистров подключены к выходу формирователя импульсов исследуемого сигнала, управляющий вход сумматора-дешифратора соединен с выходом второго ключевого элемента, а его информационные выходы являются выходами фазометра.Недостатком фазометра является неполное использование возможностейквантующей,линии в части обеспеченияразрешающей способности измеренийразности фаз, обусловленное следующими причинами;Счетчик квантующих импульсов вначале каждого цикла обнуляется, чтоосуществляется сигналом с инверсноговыхода формирователя меандра опорного сигнала через элемент задержкии формирователь импульсов разрешенияобнуления. Импульс разрешения обнуления должен иметь длительность, достаточную для обнуления счетчика и вто же время должен быть задержан относительно фронта опорного меандраменее, чем на период кванта. Длительность кванта определяет, в основном,разрЕшающую способность измеренияфазы, учитывая, что величина задержки сигнала всегда имеет некоторыйразброс, а длительность импульса разрешения обнуления должна иметь определенное конечное значение, нельзяуменьшить период кванта менее некоторой величины, что и ограничиваетразрешающую способность измерения.Отсчет долей кванта производитсяпутем записи выходных сигналов сэлементов ИЛИ квантующей линии за,держки, т,е. фиксацией уровней логических нулей и единиц, При малойдлительности периода квантующегосигнала (высокой разрешающей способности измерения) длительностьфронтов импульса становится сравнимой с длительностью импульса, и появляется неточность в определении лоГического уровня в момент считывания кода, образуемого уровнями сиг пналов на выходах квантующей линии.Цель изобретения - повышение потенциальной разрешающей способностиизмерения разности Фаз,цель достигается тем,что в цифровой фазометр, содержащий коммутаторвходных сигналов, соединенный с источниками опорного и исследуемогосигналов через формирователи меандров, выходы которого - один непосред оственно, а второй в . через Формирователь импульсов исследуемого сигнала подключены к входам ключевого элемента, выход которого соединен свходом триггера выделения знака; выход которого соеринен с входом коммутатора и со знаковым инФормационнымвыходом фазометра, управляющий триггер, выход которого подключен к входу второго ключевого элемента, квантующую линию задержки, состоящую иза+1 элементов ИЛИ, между первым выходом каждого из которых и первым входом последующего включены и элементов задержки, и дополнительного элемента задержки, включенного междувторым входом первого элемента ИЛИи выходом одного из последующих первый вход первого элемента ИЛИ и вторые входы всех остальных объединеныи являются входом квантующей линиизадержки, а также счетчик квантующихимпульсов, два элемента задержки, дешифратор и регистр, вверены формирователь импульсов опорного сигнала,2 (и+1) триггеров, третий ключевойэлемент и 2 элемента ИЛИ, при этомвыходы элементов ИЛИ квантующей линиизадержки через триггеры подсоединенык первым информационным входам дешифратора вторые инФормационные входыкоторого соединены с выходами счетчика,а выход - с регистром, выход которогоявляется выходом фазометра, управляющий вход соединен с выходом второгоключевого элемента, второй вход которого черед первый элемент задержкиподключен к выходу формирователя импульсов исследуемого сигнала; который также через второй элемент задержки и третий ключевой элемент подсоединены к входам сброса первого дополнительного элемента ИЛИ триггеров ипервому входу второго дополнительногс элемента ИЛИ, второй вход которого подсоединен к одному из выходовпервого элемента ИЛИ квантующей линиизадержки, а выход соединен с входомсчетчика, управляющий вход которогосоединен с выходом управляющего триггера, подключенного также к входуквантующей линии задержки и второмувходу третьего ключевого элемента,входами соединенного с выходами формирователей импульсов исследуемогои опорного сигналов, вход последнегоиз которых соединен с вторым выходомкоммутатора входных сигналов, крометого, другие выходы дополнительныхэлементов ИЛИ соединены с выходомпервого ключевого элемента,В известном Аазометре получение соответствующего кода производится по уровням выходных сигналов с квантующей линии задержки, а в заявленном - по четности или нечетности количестна Ьронтов квантов, прошедшихчерез прямые и иннерсные выходы такой же линии. Для этого регистр,связанный с выходами линий, замененна динамические триггеры, Формирователь импульсов исследуемого сигналауправляет квантующей линией задержки через специальный триггер, В результате отпала необходимость в обнулении счетчика в течение первогокванта, т.е, увеличилась потенциальная разрешающая способность фазометра.На Лиг 1 приведена Ьункциональная схема циФрового Ьазометра; нафиг. 2-4 - временные диаграммы, поясняющие его работу.11 иФровой Йаэометр содержит коммутатор 1 входных сигналон, соединенный 20с источниками опорного и исследуемого сигналон через Формирователи 2,3 меандров опорного и исследуемогосигналов,выходы коммутатора 1 одиннепосредственно, а второй черезФормирователь 4 импульсов исследуемого сигнала подключены к входамключевого элемента.5, выход которогосоединен с входом триггера б выделения знака, выход которого соединен 30с входом коммутатора 1 и со знаковым информационным выходом Фазометра, управляющий триггер 7, выход ко-,торого подключен к входу второгоключевого элемента 8, квантующую 35линию 9 задержки, состоящую из и+1элементон ИЛИ-НЕ/ИЛИ 10, между первым выходом каждого из которых ипервым входом последующего включеныи элементов 11 задержки, и дополнительного элемента 12 задержки,включенного между вторым входом первого элемента ИЛИ 10и выходом одного из последующих элементов ИЛИ10 (ИЛИ 10), первый вход первого 45элемента ИЛИ 10 и вторые входы всехостальных объединены и являются входом кнантуюцей линии 9 задержки,счетчик 13 кнантующих импульсов, дваэлемента 14 и 15 задержки, дешийратор 16 и регистр 17, формирователь19 импульсов опорного сигнала, 2(п+1)триггеров 19, третий ключевой эле-.мент 20 и элементы ИЛИ 21, 22, приэтом выходы элементов ИЛИ-НЕ/ИЛИ 10квантующей линии 9.задержки черезтриггеры 19 подсоединены к первыминФормационным входам дешийратора 16,1вторые инФормационные входы которого соединены с выходами счетчика 13, а выход - с регистром 17, выход которого является выходом Фазометра, управляющий вход соединен с ныходам второго ключевого элемента 8, второй вход которого через первый элемент 14 задержки подключен к выходу Формирователя 4 импульсов исследуемого сигнала, который также через второй элемент 15 задержки и третий ключевой элемент 20 подсоединен. к входам сброса триггера 19 (динамических) через элемент ИЛИ 22 и первому входу второго дополнительного элемента ИЛИ 21, второй вход которого подсоединен к одному иэ выходов первого элемента ИЛИ-НЕ/ИЛИ 10, кнантующей линии 9 задержки, а выход соединен с входом счетчика 13, управляющий вход которого соединен с выходом управляющего триггера 7 (в случае необходимости согласования через иннертор 23),подключенного также к входу квантующей линии 9 задержки и второму входу третьего ключевого элемента ИЛИ 20,входы триггера 7 соединены с выходами Формирователей 4 и 18 исследуемого и опорного сигналон, вход последнего из которых соединен с вторым выходом коммутатора 1 входных сигналон, кроме того, другие входы элементов ИЛИ 21 и 22 соединены с выходом ключевого элемента.Пифровой Фазометр работает следующим образом.Синусоидальные сигналы с входом Вх и Вх 2 преобразуются в Формирователях 2, 3 в меандры (точка а и а) и поступают на вход коммутатора 1. При этом возможны следующие варианты состояния коммутатора и соотношение Ьаз сигналов.Вариант 1 (Ьиг 2). Сигнал на Вх.2 отстает по Фазе от сигнала на Вх,1она величину, меньшую 180 , а ксммутатор соединяет ас б, ас б(знак разности Фаз "-"), Перепады сигналов между уровнями логического нуля ("0") и логической единицы ("1") возбуждают дормиронатели 4 и 18 импульсов, которые Формируют на своих выходах в и в импульсы, Появление импульса эквивалентно появлению логической единицы. Для определенности на Ьиг, 1-3 в качестве логическойединицы принят более высокий уровеньсигнала, а фиксатором уровня Фиксируют отрицательный перепад (логическойет на управляющие входы триггеров19 - 19(п,) и приводит их в исходноесостояние. После этого схема готовак следующему циклу.Вариант 2. Сигнал на входе Вх,25опережает сигнал на входе Вх. 1 на величину, меньшую 180 , а коммутаторь1 по-прежнему соединяет точки а-б,а- бВременные соотношения междусигналами иллюстрируются Фиг, 4. Каки в варианте 1, импульс в точке в,опрокидывает триггер 7 и запускаетквантующую линию 9, Отличие заключается в том, что импульс в точке впоявляется тогда, когда отрицательный полупериод сигнала на входе Вх. 1уже закончипся, т.е. в это время вточке б и на другом входе элемента,И 5 находится сигнал, соответствующий логической единице, Поэтому импульс "пройдет" через элемент И иопрокинет триггер б, Соответственно изменится уровень сигнала на управляющем входе коммутатора 1 в точке е, 25и коммутатор включит новое соединение вход-выход а- б, а - 6. Темсамым распределение сигналов сведется к варианту 1, Одновременно импульсс выхода элемента И 5 через элементИЛИ 21 обеспечит обнуление счетчика13 и сброс триггеров 19-191,) висходное состояние. Импульс в точкев через элемент 14 задержки по-прежнему поступает на вход элемента И 8,но так как в точке г после срабатывания коммутатора 1 устанавливается"0", элемент И 8 остается закрытыми команда на запись информации в регистр 17 не поступает, Кроме того,. задержанный в элементе 15 задержкиимпульс с точки в не пропускаетсяэлементом И 20,. так как на другомего входе установится "0", и повторного срабатывания триггеров 19 вовремя работы квантующей линии задержки не происходит (Фиг, 4),Все остальные возможные варианты сочетаний разности Фаз и включений сводятся к рассмотренным.Положительный эффект предлагаемого Фазометра по сравнению с известным состоит в том, что повышается потенциальная разрешающая способность измерения фазы, увеличивается устойчивость к климатическим воздействиям и воздействию старения микросхем, уменьшается вероятность неоднозначного отсчета хода, маркирующего долю незаконченного кванта,.Сущность указанных эффектов заключается в том, что введение дополнительных элементов и связей позволяет усовершенствовать режим обнуления счетчика целых квантов и процесс Формирования кода долей кванта. При этом исключается необходимость ормирования управляющего импульса, у которого Фронт опережает афронт менадра опорного сигнала, а срез задержан не более, чем на период кванта, Исключение этого импульса устраняет возможность ошибок в счете из-за изменениядлительности под влиянием климатических воздействий и старения элементов И соответственно позволяет сокращать длительность квантующих меандров, т,е. повысить разрешающую способность измерения Фазы Запоминание распределения низких и высоких уровней сигналов на выходах квантующей линии в момент появления нуль-,перехода исследуемого сигнала заменено прекращением счета четности - нечетности количества прошедших Фронтов квантующих меандров (по каждому выходу линии). Такая замена сокращает необходимое время установления соответствующего кода, т.е. позволяет увеличить потенциальную разрешающую способность измерения Фазы и одновременно уменьшить вероятность неоднозначного отсчета этого кода вблизи моментов смены значений .его разрядовФормула изобретенияПирровой газометр, содержащий коммутатор входных сигналов, соединенный с источниками сигналов через формирователи меандров опорного и исследуемого сигналов, выходы которых, один непосредственно, а другой через Формирователь.импульсов исследуемого сигнала, подключены к входам ключевого элемента, выход которого соединен с входом триггера выделения знака, соединенного выходом с входом коммутатора и со знаковым информационным выходом йазометра, управляющий триггер, выход которого подключен к входу второго ключевого элемента, квантующую линию задержки, состоящую из и+ элементов ИЛИ, между первым входом каждого из которых и первым входом последующего включены и элементов задержки, и дополнительного элемента задержки, включенного между вторым входом первого элемента Ж И и выходом одного из последующих, первый вход первого элемента ИЛИ и вторь 1 е входы5 всех остальных объединены и являются входом квантующей линии задержки, счетчик квантующих импульсов, дна элемента задержки, дешиФратор и регистр, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения потенциальной разрешающей способности фазометра, в него введены формирователь импульсов опорного сигнала, 2(п+1) триггеров, третий ключевой элемента и два элемента ИЛИ, при этом выходы элементов ИЛИ квантующей линии задержки через соответствующие триггеры подсоедине-. ны к первым информационным входам де О шифратора, вторые информационные входы которого соединены с выходами счетчика квантующих импульсов, а выход соединен с регистром, выход которого является выходом Аазометра, управ ляющий вход соединен с выходом второго ключевого элемента, второй вход которого через первый элемент задержки подключен к выходу Формирователяимпульсов исследуемого сигнала, который также через второй элемент задержки и третий ключевой элемент подключен к нходам сброса триггеров черезпервый дополнительный элемент ИЛИ ипервому входу второго дополнительногоэлемента ИЛИ, второй вход которогоподсоединен к одному .из выходов первого элемента ИЛИ квантующей линии, авыход соединен с входом счетчика, управляющий вход которого соединен свыходом управляющего триггера, подключенного также к входу квантующей линии и второму входу третьего ключевого элемента, а входами соединенногос выходами формирователей импульсовисследуемого и опорного сигналов,вход последнего из которых соединен свторым выходом коммутатора входныхсигналов, кроме того, другие входыдополнительных элементов ИЛИ соединены с выходом первого ключевого элемента.(11 у 11 ааао оао оо/111 Р 1 х ю воаоооо Ода ооф у Ф ооооооо 01 у 1111 оао Злемемл ГО и хс оо о ооо а оо аооа ооо ю ф о о оо о о оа1т о Ю Юф фЮ 1 15 4 Ф 1 аоаа аоаооо о оф 4 ФФаФФФ оооо о ап ф татаа 11 М У 1 У 1Емельянова Редактор В, Данко Т оргентал Корректор Л. Пилипенко Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 10 каз 337 Тираж НИИПИ Государственного комитет 113035, Москва, Подписноео изобретениям и открытиям при ГКНТ СС35, Раушская наб., д. 4/5