Цифровой фазометр-частотомер

 

ЦИФРОВОЙ ФАЗОМЕТР-ЧАСТОТОМЕР , содержащий первый и второй формирователи , генератор импульсов фиксированной , частоты, первый и второй аналоговые ключи, компаратор и источник опорного напряжения, о т личающи .йся тем, что, с целью расширения частотного диапазо на и повышения точности, в него введены первый и второй регистры па-, мяти, у которьгх выходы соединены с соответствующими входами первого и второго введенных резистивных цифроаналоговых преобразователей двоичный счетчик, первый вход которого соединен с первым выходом первого формирователя, второй вход тс выходом генератора импульсов фиксированной частоты, а его кодовый выход - с вторыми входами первого и второго регистров памяти, при этом второй выход первого формирователя соединен с первым входом первого регистра памяти, а выход второго формирователя соединен с первым входом второго регистра памяти, стартовая цепь, состоящая из последовательно соединенных триггера и элемента И, второй вход которого соединен с вторым выходом первого формирователя , вход триггера соединен с первым выходом первого формировате-ля , измерительная мостовая схема, в диагоналях которой включены источник опорного напряжения и коммутатор , а в плечах -мостовой схемы - три весовых резистора, резистивные цепи резистивных цифроаналоговых преобразователей , декодирующая сетка сопротивлений аналого-цифрового преобразователя и два аналоговых ключа, причем к первой клемме источника опорного напряжения подсоединены i первая клемма первого резистивного цифроаналогового преобразователя и первые клеммы первого и третьего весовых резисторов, к второй клемме источника опорного напряжения подсоединены вторая клемма декодирующей сетки сопротивлений аналого-цифрового преобразователя и выход первого аналогового .ключа, два входа которого соединены соответственно со со 4 Is: с вторыми клеммами второго резистивного цифроаналогового преобразователя и второго весового резистора, первые клеммы которых соединены с второй клеммой первого резистивного цифроаналогового преобразователя и первой входной клеммой компарато ра, вторая входная клемма которого соединена с первой клеммой декоди рующей сетки сопротивлений аналогоцифрового преобразователя и выходом второго аналогового ключа, два входа которого соединены с вторыми клеммами первого и третьего весовых резисторов , управляющие входы аналоговых ключей соединены с вторым.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (51)4 G 01 R 25/08 (21) 3666217/24-21 (22) 25.11.83 (46) 15.08.85. Бюл. № 30 (72) В.П.Кручинин и Л.Б.Розенбаум (71) Куйбышевский институт инженеров железнодорожного транспорта (53) 621.317.77(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 824073, кл. G О1 R 25/08, 1979.

Авторское свидетельство СССР

¹ 805199, кл. G 01 R 25/08, 1979. (54) (57) ЦИФРОВОЙ ФАЗОИЕТР-ЧАСТОТОNEP, содержащий первый и второй формирователи, генератор импульсов фиксированной,частоты, первый и второй аналоговые ключи, компаратор и источник опорного напряжения, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью расширения частотного диапазона и повышения точности, в него введены первый и второй регистры па-. мяти, у которых выходы соединены с соответствующими входами первого и второго введенных резистивных цифроаналоговых преобразователей» двоичный счетчик, первый вход которого соединен с первым выходом первого формирователя, второй вход †. с выходом генератора импульсов фиксированной частоты, а его кодовый выход — с вторыми входами первого и второго регистров памяти, при этом второй выход первого формирователя соединен с первым входом первого регистра памяти, а выход второго формирователя соединен с первым входом второго регистра памяти, стартовая цепь, состоящая из последовательно соединенных триггера и элемента И, второй вход которого сое„>SUÄÄ 3173342 А динен с вторым выходом первого формирователя, вход триггера соединен с первым выходом первого формирователя, измерительная мостовая схема, в диагоналях которой включены источник опорного напряжения и коммутатор, а в плечах -мостовой схемы — три весовых резистора, резистивные цепи резистивных цифроаналоговых преобразователей, декодирующая сетка сопротивлений аналого-цифрового преобразователя и два аналоговых ключа, причем к первой клемме источника опорного напряжения подсоединены первая клемма первого резистивного цифроаналогового преобразователя и первые клеммы первого и третьего весовых резисторов, к второй клемме источника опорного напряжения подсоединены вторая клемма декодирующей сетки сопротивлений аналого-цифрового преобразователя и выход первого аналогового ключа, два входа которого соединены соответственно с вторыми клеммами второго резистивного цифроаналогового преобразователя и второго весового резистора, первые клеммы которых соединены с второй клеммой первого резистивного цифроаналогового преобразователя и первой входной клеммой компаратора, вторая входная клемма которого соединена с первой клеммой декодирующей сетки сопротивлений аналогоцифрового преобразователя и выходом второго аналогового ключа, два входа которого соединены с вторыми клеммами первого и третьего весовых ре-; зисторов, управляющие входы анало.говых ключей соединены с вторым.

1173342 выходом аналого-цифрового преобразователя, у которого первый (кодовый ) выход является выходом устрой"1

Изобретение относится к цифровой измерительной технике и предназначено для одновременного измерения фазовых соотношений и частоты исследуемых сигналов в широком диапазоне частот., Целью изобретения является расширение частотного диапазона и повышение точности фазометра-частотомера, путем применения вместо анало- 10 говых преобразователей время-напряжение элементов дискретной техники (счетчик, регистры памяти, ЦАП и

АЦП ), которые обладают более высокой точностью преобразования сигна- 15 ла, стабильностью характеристик во времени, не требуют настройки и расширяют частотный диапазон в область инфранизких частот.

На фиг. 1 приведена структурная 20 схема цифрового фазометра-частотомера; на фиг. 2 — временные диаграммы, поясняющие его работу.

Устройство условно делится на входной и выходной блоки. 25

Входной блок содержит стартовую цепь, состоящую из триггера 1 и .элемента И 2, а также включает первый формирователь 3, двоичный счетчик 4, генератор 5 импульсов фиксирован- щ ной частоты (ГФЦ ), первый регистр 6 памяти (первый канал ), второй формирователь 7 и второй регистр 8 памяти (второй канал ).

Выходной блок содержит первый

9 и второй 10 реэистивные цифроана.логовые преобразователи (ЦАП ), пер-i вый весовой резистор 11 цикла измерения Фазового сдвига, управляемый 40 аналого-цифровой преобразователь 12, (АЦП ), компаратор 13, источник 14 опорного напряжения, первый 15 и второй 16 аналоговые ключи коммутатора циклов, второй 17 и третий 18 весовые резисторы цикла измерения частоты сигнала. ства, первый вход соединен с выходом компаратора, а второй вход — с выходом элемента И.

Входная клемма 19 соединена.с входом первого формирователя 3, первый выход которого соединен с входом триггера 1 и первым входом двоичноro счетчика 4, второй вход которого соединен с выходом генератора 5 им- . пульсов фиксированной частоты. Кодовый выход двоичного счетчика 4 соединен с вторыми входами первого 6 и второго 8 регистров памяти. Второй выход первого формирователя 3 соеди« нен с первым входом первого 6 регистра памяти и вторым входом элемента И 2, первый вход которого соединен с выходом триггера I Входная клемма 20 соединена с входом второго формирователя 7, выход которого соединен с вторым входом второго 8 регистра .памяти. Выходы первого 6 и второго 8 регистров памяти соединены с соответствующими вхо- . дами первого 9 и второго 10 резис- . тивных цифроаналоговых преобразователей выходного блока.

Выходной блок содержит измерительную мостовую схему, в одной диагонали которой включен источник 14 опорного напряжения, у которого первая клемма соединена с первой клеммой первого 9 резистивного ЦАП и первыми клеммами первого 11 и третьего 18 весовых резисторов, а вторая клемма источника 14 - с выходом первого 15 аналогового ключа и второй клеммой декодирующей сетки сопротивлений АЦП 12, первый вход которого соединен с выходом ком» паратора 13, у которого первая входная клемма соединена с второй клеммой первого 9 резистивного ЦАП, с первой клеммой второго 10 резистивного ЦАП и первой клеммой второго

17 весового резистора, причем вторые клеммы двух последних (10 и 17 ) соединены с соответствующими входами первого 15 аналогового ключа, вторая входная клемма компаратора

1173342

l3 соединена с первой клеммой декодирующей сетки сопротивлений АЦП

12 и с выходом второго 16 аналогового ключа, входы которого соединены соответственно с вторыми клеммами первого 11 и третьего 18 весовых резисторов. Выход элемента И..2 соединен с вторым входом АЦП 12, кодовый выход которого является выходом устройства, а управляющий выход соединен с управляющими входами первого и второго аналоговых ключей.

Согласно фиг.2 приняты следующие обозначения:

U „ — частота и напряжение сиг15 налов на выходе генератора импульсов фиксированной частоты(ГФЧ);

Пвх„,Тх напряжение и период опорного сигнала, .поступающего на клемму 19;

П, х - напряжение и временной интервал, соответствующий фазовому сдвигу сигнала второго канала с клеммы 20 относительно. опорно ro, U,,U4, — напряжение с выходов форф1 з мирователей 3 и 7, состветственно; 30 — период следования импульсов ГФЧ;

N — число импульсов ГФЧ за один период Т опорного сигнала, 35 п — число импульсов ГФЧ за интервал времени Гх, соответствующий измеряемой разности фаз.

Временные соотношения между пе- 40 риодом импульсов ГФЧ и сигналами формирователя 3 на его первом Бф1(1) и втором 0 2(2) выходах показаны на фиг.2б.

Принцип работы устройства основан на преобразованиях измеряемой разности фаз 4х и частоты сигналов f во временные интервалы с„и Т, которые заполняются квантующими импуль 50 сами ГФЧ, а полученные коды чисел и и N цифроаналоговыми преобразователями преобразуются в величины сопротивлений плеч мостовой схемы

Выбор весовых рсзисторов (R1 и R17= 55

11

=R1 ) и коэффициентов градусной и частотной шкал АЦП производится из следующих соображений.

При измерении разности фаэ „урав нение баланса моста имеет вид:

R НаП 1O R11

ДЦП12 В ЦАП 9

Если пОлОжить ° чтО R Я Цп 12-1 91 ш

Ц40 10 91 ЦЛП9 91 где R, величина сопротивления младшего разряда АЦП и

ЦАП;

m — код числа АЦП при измерении Чх; п — код числа импульсов за интервал

N — код числа импульсов эа интервал Т,, то уравнение баланса примет вид:

Il

Р m= — -R д и

Так как Ч„= —,, 360, то при =1 когда Чх=360,положим Е =Р Г1.Для

11 91 того чтобы результат уравновешивания выр ажал с я в градусах, необходимо чтобы M=360 (или в общем случае M=

-3 6 » lOi где i=1,2,...) . .Тогда величина весового резистора будет равна 360» R, При измерении частоты f уравнеХ ние баланса имеет вид:

R R 17 211 R11

ЯЦ 12 R Ц,1П9

3r

Учитывая, что N = Т /t где Т вЂ” пех х- пе" риод измеряемого сигнала, t — период следования импульсов генератора 5 фиксированной частоты, .уравнение баланса можно записать

М= (R . = — =

l 2 (2 1

31 17 Т Х 1

l х

/ где М вЂ” код числа АЦП при измерении fх

Из последнего выражения., приняв

2 2

9 что К =, / <„7 t получим

З1 1/ где придавая коэффициенту К значения 1,10 и т.д. голучим значения сопротивления R äëÿ различных масштабов измерения частоты.

Таким образом, разрешающая спо-, собность фазометра-частотомера при его работе в широком диапазоне частот и сдвигов сигналов будет определяться частотой импульсов ГФЧ.

Устройство работает следующим образом.

При включении питания двоичный счетчик 4, первый 6 и второй 8 ре1173342 гистры памяти, первый 9 и второй

10 резистивные ЦАП, декодирующая сетка АЦП 12 устанавливаются в нулевые положения, при этом состояние триггера 1 характеризуется нулевым выходом. Импульсы с выхода ГФЧ.5 не проходят на двоичный счетчик 4, так как отсутствует команда разрешения с формирователя 3 на их прохождение. В выходном блоке ключи 15 и 16 будут включены таким образом, что плечами измерительно-вычислитель ной мостовой схемы будут являться

UAII 9 и ЦАП 10, весовой резистор 11 и декодирующая сетка сопротивлений

АЦП 12 Исследуемые сигналы, характеризующиеся одинаковой частотой

Е„(периодом следования Т ) и некоторым углом сдвига фаз Ч„(который соответствует временному интервалу

С„)одновременно с клемм 19 и 20, поступают соответственно на первый, !

3 и второй 7 формирователи входного блока. Как первый 3, так и второй

7 формирователи фиксируют только моменты перехода из отрицательной области значений напряжений входных сигналов в положительную, при этом формирователь 7 вырабатывает один короткий, а формирователь 3— два коротких по длительности импульса, сдвинутых по времени и относительно друг друга на время меньшее, чем длительность периода t следования импульсов ГФЧ 5 (фиг.2б), При срабатывании формирователя

3 первый из двух формируемых им импульсов с его второго выхода поступит на второй вход первого регистра памяти 6 в качестве команды переписи в него кода иэ двоичного счетчика 4. Поскольку в момент включения двоичный счетчик 4, регистры

6 и 8 памяти,. резистивные ЦАП 9 и ЦАП 10 находились в нулевых состояниях, то этот импульс не изменит их состояний. Одновременно этот же импульс единичным сигналом пос-. тупит на второй вход элемента И 2, на первом входе которого будет присутствовать нулевой уровень с триггера l. Такая ситуация исключает запуск АЦП 12 в момент включения устройства. Далее второй формируемый формирователем 3 импульс с его первого выхода поступит на первый вход двоичного счетчика 4 в каче-.

5 ГФЧ 5. Одновременно этот же импульс поступит на вход триггера 1 для из10

20

50 дится включение АЦП 12 для уравно55

45 стве команды сброса предыдущей записи и начала нового счета импульсов„ поступающих на его второй вход от менения его выхода на единичный и подготовки к запуску АЦП 12, Заполнение двоичного счетчика 4 импульсами ГФЧ 5 будет происходить в течение одного полного периода T опорного сигнала, при этом в момент перехода из отрицательной в положительную область значений напряжения входного сигнала с клеммы 20 сработает формирователь 7 и сформирует на своем выходе один короткий импульс, используемый в качестве команды на разрешение записи из двоичного счетчика 4 во второй 8 регистр памяти кода числа импульсов и, зафиксированного к этому моменту от начала счета. Поскольку момент начала счета соответствует начальной фазе напряжения опорного сигнала с клеммы 19 а мо1 мент записи результата счета во второй 8 регистр. памяти соответствует начальной фазе напряжения сигнала второго канала с клеммы 20, то число импульсов и, зафиксированное двоичным счетчиком 4 за этот интервал времени ь„ будет соответствующим образом отображать разность фаз напряжений входных сигналов.

Далее код числа и с выхода второго

8 регистра памяти поступает на вход

ЦАП 10, где преобразуется в величину сопротивления, соответствующую коду этого числа. По окончанию первого периода Т опорного сигнала импульсом с первого выхода формирователя 3 производится перепись кода числа N импульсов ГФЧ 5, зафиксированного счетчиком 4, в регистр 6 памяти с последующим его преобразованием ЦАП 9 в соответствующую величину сопротивления. Этим же импульсом через элемент И 2 произвовешивания измерительно-вычислительной мостовой схемы при определении разности фаз g„ Hññëåäóåìûõ сигналов. Вторым импульсом с второго выхода формирователя 3 (сразу же после переписи кода в регистр 6 } производится сброс двоичного счетчика

4 и его новое начало счета.

1173342

АЦП 12, уравновесив мостовую схе-. му и зафиксировав на своем первом выходе результат измерения „ сигналом с второго своего выхода через аналоговые ключи 15 и 16 произведет выключение ЦАП 10, весового резистора l ° и включение в мостовую схему двух одинаковых резисторов 17 и 18. Далее, производя второе уравновешивание и зафиксировав результат измерения частоты исследуемых сигналов Г„ на своем первом выходе.

AIJII 12 сигналом с второго своего выхода через аналоговые ключи 15 и

16 возвратит измерительно-вычислительную мостовую схему в исходное . состояние для проведения следующего цикла измерений, данные для> которого, начиная с момента

10 включения АЦЛ !2, начали, формироваться узлами входного блока.

1173342 ива

Фи

0myp (рце. 3

Составитель Ю.Макаревич

Редактор А. Гулько .Техред С.Мигунова .Корректор E. Сирохман

Заказ 5047/45 Тираж 748 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

11303S, Москва, Ж-35, Раушская .наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4