Цифровой фазометр среднего сдвига фаз между сигналами с известным частотным сдвигом

 

Изобретение может быть использовано в радионавигационных системах для измерения средней фазы между опорным и флуктуирующим измерительным сигналами с известным частотным сдвигом, в частности при измерениях угловых положений объекта. Цель изобретения - расширение области применения за счет обеспечения измерения среднего значения сдвига фаз между опорным и флуктуирующим измерительным сигналами с известным частотным сдвигом и расширения диапазона измеряемых фазовых сдвигов. Цифровой фазометр содержит формирователи 1 и 2, элемент ИЛИ 3. триггеры 4,5.9 и 10, элементы И 6.7.11 и 12, реверсивный счетчик 8, делители 14 и 13 частоты и счетчик 15 числа усреднений. 2 ил.VIОю toGJ Сл>&

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (s1)s G 01 R 25/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4758663/21 (22) 24.11.89 (46) 30.01.92. Бюл, 3Ф 4 (71) Научно-исследовательский институт радиотехнических измерений (72) B.Е. Тетерятников (53) 621.317.77 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

РЬ 1348744, кл. 6 01 R 25/00, 1986.

Авторское свидетельство СССР

hh 1112309, кл. 6 01 и 25/00, 1983. (54) ЦИФРОВОЙ ФАЗОМЕТР СРЕДНЕГО

СДВИГА ФАЗ МЕЖДУ СИГНАЛАМИ С ИЗBECTHbIM ЧАСТОТНЫМ СДВИГОМ (57) Изобретение может быть использовано в радионавигационных системах для иэмерения средней фазы между опорным и флуктуирующим измерительным сигналами с известным частотным сдвигом, в частности при измерениях угловых положений объекта. Цель изобретения — расширение области применения за счет обеспечения измерения среднего значения сдвига фаз между опорным и флуктуирующим измерительным сигналами с известным частотным сдвигом и расширения диапазона измеряемых фазовых сдвигов. Цифровой фаэометр содержит формирователи 1 и 2, элемент ИЛИ 3, триггеры 4,5,9 и 10. элементы И 6,7,11 и 12, реверсивный счетчик

8, делители 14 и 13 частоты и счетчик 15 числа усреднений. 2 ил.

3709233

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в радионавигационных системах для измерения среднего значения фазы между опорным и флуктуирующим измерительным сигналами с известным частотным сдвигом, в частности при угловых измерениях положения движущегося объекта.

Различие частот между опорными и измерительным сигналами может быть обусловлено, например, наличлем частотного допплеровского сдвига, величина KQToporo в пределах мернОГО интервала известна и изменяется мало.

Известно устройство, позволяющее измерять оптимальный сдвиг фаз между опорным флуктуирующим измерительным сигналом с частотным сдвигом, В этом устройстве с помощью сложных арифметических узлов производится раздельная обработка опорного измерительного сигнала, а результаты измерений обрабатываются по сложному алгоритму вычислений.

Известен преобразователь фаза-код, содержащий два усилителя ограничителя, два переключателя, двэ формирователя импульсов, триггер преобразования разности фаз в интервал времени, семь элементов M,. три элемента задержки, три элемента ИЛИ, три триггера, времязадэющлй блок и Генератор импульсов, Я этом устройстве разность фэз выходных сигналов преобразуется в интервал времени, который квантуется по времени и формируется в код счетчиком импульсов, при этом число импульсов, поступэ(ощих на вход счетчика, пропорционально фазе р = Ьр+,60

Данное устройство обеспечивает измерение сдвига фэз между сигналами одной частОты при флуктуэциях фазы 8 пределах

+180 .

Однако это устройство не может работать с входными измерлтельными сигналами, имеющими сдвиг по частоте, так как в этом случае дополнительный сдвиг фазы между ними зэ мерный МНТерВВр. Времени может превысить несколько периодов опорНОГО сигнала, что HB преду мо 1 ре1 О В А38е стном устройстве.

Наиболее близким по технлческой сущности к предлагаемому является устройство, содержа:цее первый и второй формирователи импульсов, первый и Второй триггер, первый и второй элементы И, элемент ИЛИ и реверсивный счетчик импульсов, входы которого соединены с выходами элементов И, причем первые входы последних соединены соответственно с инверс

".5

2G

ЗО

35 0

55 ным и прямым выходами первого триггера, вторые входы элементов И соединены с клеммой калиброванного временного интервала, а третьи — с клеммой генератора счетных импульсов, при этом выход первого формирователя импульсов соединен с первым входом первого триггера, входы элемента ИЛИ соединены с выходом первого и второго формирователей импульсов, а его выход — c входом второго триггера, выход которого соединен с четвертыми входами обоих элементов И, при этом выход второго формирователя импульсов соединен с вто.г рым входом первого триггера.

8 данном устройстве за счет усреднения результатов измерений повышается точность измерения фазового сдвига при флуктуациях фазы вблизи нулевого фазового сдвига, но как и во втором аналоге, не обеспечивается измерение сдвига фаз при наличии частотного сдвига в измерительном сигнале, цель изобретения — расширение областл применения за счет обеспечения измерения среднего значения сдвига фаз между сигналами с известным частотным сдвигом и расширение диапазона измеренных фазовых сдвигов, Указанная цель достигается тем. что в цифровой фазометр, содержащий первый и второй формирователи импульсов входных сигналов, элемент ИЛИ, первый и второй

-риггеры, первый и второй элементы И и реверсивный счетчик импульсОВ, ВхОды которого соединены с выходами элементов И, причем первые входы последних соединены соответственно с инверсным и прямым выходами первого триггера, второй вход первого элемента И соединен с прямым выходом второго триггера, а третьи входы элементов И соединены с клеммой генератора эталонного сигнала, введены третий и четвертый триггеры, третий и четвертый элементы И, два делителя частоты (2П+1} входных сигналов, где П = 1,2.3,..., — число периодов сдвига между опорным и измерительным сигналами поделенной частоты, и счетчик числа усреднений, при этом выход первого формирователя импульсов соединен с первым входом третьего элемента И, выход которого соединен со счетным входом делител частоты опорного сигнала, первый выход которого соединен с нулевым установленным входом первого триггера и с единичным установочным входом четвертого триггера, Выход которого соединен с вторым ВхОДОм четвертОГО элемента И, первый вход которого соединен с выходом второго формирователя импульсов, e его выход соединен со счетным входом делителя частоты

1709233

10 чика числа усреднений, с единичными 15 установочными входами всех разрядов де-.

Цифровой фазометр среднего сдвига фаз между сигналами с известным частотным сдвигом содержит первый и второй 25 формирователи 1 и 2 импульсов, элемент

ИЛИ 3, первый и второй триггеры 4 и 5 первый и второй элементы И 6 и 7, реверсивный счетчик 8 импульсов, входы которого соединены с выходами первого и второго 30 элементов И 6 и 7, причем первые входы последних соединены соответственно с инверсным и прямым выходами первого триггера 4, второй вход первого элемента И 6 соединен с прямым выходом второго триг- 35 гера 5, а третьи входы элементов И 6 и 7 соединены с клеммой генератора эталонного сигнала, третий и четвертый триггеры 9 и

10, третий и четвертый элементы И 11 и 12, делитель 13 частоты опорного сигнала, де- 40 литель 14 частоты измерительного сигнала и счетчик 15 числа усреднений, при этом выход первого формирователя 1 импульсов соединен с первым входом третьего элемента И 11, выход которого соединен со счет- 45 ным входом делителя 13 частоты опорного сигнала, первый выход которого соединен с .нулевым установочным входом первого триггера 4 и с единичным установочным входом четвертого триггера 10, выход которого 50 соединен с вторым входом четвертого элемента И 12, первый вход которого соединен с выходом второго формирователя 2 импульсов, а его выход соединен со счетным входом делителя 14 частоты измерительно- 55 го сигнала, выход которого соединен с нулеизмерительного сигнала, выход которого соединен с нулевым установочным входом второго триггера, единичный установочный вход которого соединен с единичным установочным входом первого триггера и с выходом элемента ИЛИ, первый вход которого соединен с вторым выходом делителя частоты опорного сигнала и с входом счетчика числа усреднений, выход которого соединен с нулевыми установочными входами третьего и четвертого триггеров, а второй вход элемента ИЛИ соединен со сбросовыми входами делителя частоты опорного сигнала, реверсивного счетчика импульсов, счетлителя частоты измерительного сигнала и с клеммой сигнала "Пуск".

На фиг.1 представлена структурная схема устройства; на фиг.2 — временные диаг- 20 раммы работы устройства. вым установочным входом второго триггера

5, единичный установочный вход которого соединен с единичным установочным вхсдом первого триггера 4 и с выходом элемента ИЛИ 3, первый вход которого соединен с вторым выходом делителя 13 частоты опорного сигнала и с входом счетчика 15 числа усреднений, выход которого соединен с нулевыми установочными входами третьего и четвертого триггеров 9 и 10. Второй вход элемента ИЛИ 3 соединен со сбросовыми входами делителя 13 частоты опорного сигнала, реверсивного счетчика 8 импульсов, счетчика 15 числа усреднений, а также с единичным установочным входом третьего триггера 9 и с единичными установочными входами всех разрядов делителя 14 частоты измерительного сигнала и с клеммой сигнала "Пуск" °

Устройство работает следующим образом.

Входной опорный сигнал с помощью первого формирователя 1 импульсов, третьего элемента И 11 и делителя 13 частоты опорного сигнала преобразуется в импульсную последовательность поделенной в (2П+1) раза частоты, где П вЂ” число периодов сдвига между опорным и измерительным сигналами поделенной частоты. Аналогично измерительный входной сигнал с помощью второго формирователя 2 импульсов, четвертого элемента И 12 и делителя 14 частоты преобразуется в импульсную последовательность также поделенной в (2П+1) раза частоты, но со сдвигом на П периодов входнОго опорного сигнала относительно импульсной последовательности опорного сигнала поделенной частоты.

В течение мерного интервала времени, кратного (2П+1) периодам опорного сигнала, формируемого счетчиком 15 числа усреднений, производится формирование временных интервалов сдвига между импульсами опорного и измерительного сигналов поделенной в (2П+1) раза частоты. вычитание из каждого сформированного временного интервала сдвига эталонного временного интервала, равного П периодам входного опорного сигнала, и квантование полученных разностных временных интер валов сигналом эталонной частоты.

Процесс измерений среднего сдвига фаз начинается с приходом сигнала "Пуск" (фиг.2а), устанавливающего устройство в исходное состояние, при котором делитель 13 частоты, счетчик 15 числа усреднений и реверсивный счетчик 8 импульсов устанавливаются в нулевое состояние. а делитель 14 частоты измерительного сигнала и третий триггер 9 устанавливаются в единичное состояние. Кроме этого сигнал "Пуск", пройдя через элемент ИЛИ 3, устанавливает первый и второй триггеры 4 и 5 в единичное состояние, формируя на их выходах начало соответственно вычитающего и измерительного временных интервалов (фиг. 2е, и, момент tl).

После этого через открытый третий элемент И 11 на счетный вход делителя 13 частоты опорного сигнала поступают опорные импульсы с выхода первого формирователя

1 импульсов {фиг.2б) и после подсчета П импульсов на его первом выходе сформируется импульс (фиг.2г), который устанавливает первый триггер 4 в нулевое состояние, формируя на его выходе конец вычитающего временного интервала (фиг,2е, момент t>), и в единичное состояние четвертый триггер

10, который открывает четвертый элемент И

12 прохождения через него измерительных . импульсов (фиг,2ж), сформированных вторым формирователем 2 импульсов.

Первый измерительный импульс (фиг.2з) с выхода элемента И 12 после сквозного прохода через делитель 14 частоты измерительного сигнала устанавливает второй триггер 5 в нулевое состояние, формируя на его выходе конец измерительного временного интервала (фиг.2и, момент t2), После формирования вычитающего временного интервала с помощью первого и второго триггеров 4 и 5 и функционально связанных с ними первого и второго элементов И 6 и 7, формируется разностный вре менной интервал (фиг.2к,л), равный разности между измерительным и вычитающим временными интервалами, который квантуется по времени сигналом эталонной частоты, поступающим на третьи входы этих элементов И 6 и 7, На первые два входа первого элемента

И 6 поступают напряжения, сформированные на инверсном выходе первого триггера

4 и прямом выходе второго триггера 5 соответственно, а на первые два входа второго элемента И 7 поступают напряжения, сформированные на прямом выходе первого триггера 4 и инверсном выходе второго триггера 5.

При этом на выходах первого и. второго элементов И 6 и 7 формируются пакеты импульсов эталонной частоты, пропорциональные величине разностных временных интервалов, причем на выходе первого элемента И 6 формируется пакет импульсов (фиг.2к) при положительном значении разностного временного интервала, т.е. когда

: измерительный импульс запаздывает относительно соответствующего ему опорного импульса, а на выходе второго элемента И 7 формируется пакет импульсов (фиг.2л) при опережении измерительного импульса.

Сформированные пакеты импульсов с выхода первого или второго элементов И 6 и 7 поступают соответственно на суммирующий или вычитающий входы реверсивного счетчика 8 импульсов, в котором производится накаплиавние числа входных импульсо в.

С приходом сигнала "Пуск" на выходе первого триггера 4 формируется вычитающий временной интервал, равный временному сдвигу между сигналом "Пуск" (фиг.2е, момент to) и первым опорным импульсом (момент t>), Аналогично формируется измерительный временной интервал между сигналом "Пуск" и первым измерительным импульсом (фиг.2и, момент tz), Последующие формирования вычитающих и измерительных временных интервалов будут производиться через каждые

{2П+1) периодов опорного сигнала. При этом начало вычитающего временного интервала формируется в момент появления импульса на первом выходе делителя 13 частоты, а конец этого временного интервала формируется в момент появления импульса на втором выходе этого делителя частоты.

Аналогично в момент появления импульса на первом выходе первого делителя 13 частоты формируется начало измерительного временного интервала, конец которого формируется в момент появления импульса на выходе второго делителя 14 частоты, После подсчета m импульсов опорного сигнала поделенной в (2П+1) раза частоты на выходе счетчика 15 числа усреднений сформируется импульс (фиг,2м), который установит третий и четвертый триггеры 9 и 10 в нулевое состояние и запретит прохождение выходных импульсов первого и второго формирователей 1 и 2 импульсов через третий и четвертый элементы И 11 и 12 на входы первого и второго делителей 13 и 14 частоты, На этом цикл измерений прекращается до следующего появления сигнала "Пуск", период следования которого должен превышать п (2П+1) периодов опорного сигнала.

В результате, за мерный интервал времени в реверсивном счетчике 8 импульсов накопится число N, равное сумме двух слагаемых Ng и Nz, причем первое слагаемое

N> пропорционально величине средней фазы, а второе слагаемое N2 — величине дополнительного фазового сдвига,,обусловленного наличием частотного сдвига между входными сигналами, который при постоянном частотном сдвиге. имеет постоянное значение и может быть определен из выражения (1) 1709233

10 в(-1}

Т3 2

- (f,—, ) (к - — - -), (ц где m — число усреднений; К - (2П+1) — коэффициент деления частоты; Ти, fu — период и частота измерительного сигнала; Т, f< — период и частота опорного сигнала; Т,, f,— период и частота эталонного сигнала;

Средний фазовый сдвиг определяется из выражения (2)

fo . 2 (2)

m где 2 R — — дискрет отсчета, выраженный то э в радианах.

Предельно допустимый частотный сдвиг A f зависит от числа усреднений m u интервала измерения и может быть определен из выражения (3)

П fî П fo fo

Л 1 - — n+ — = О. 4,(3)

flpv этом интервал измерения должен превышатып (2П+1) периодов опорного сигнала.

Устройство может быть реализовано на типовых микросхемах напоимер на микросхемах например на микросхемах серии

133, 533: формирователи 1 и 2 импульсов на микросхеме 5ЗЗТЛ2; элемент ИЛИ 3 — на микросхеме 533ЛАЗ; триггеры 4, 5, 9 и 10— на микросхеме 533ТМ2; элементы И 6, 7 и .11, 12 — на микросхеме 533flA3; реверсивный счетчик 8 — на микросхеме 133ИЕ7; делители 13 и 14 частоты — на микросхеме

133ИР1, используемый в режиме кольцевого сдвигового регистра; счетчик 15 числа усреднений — на микросхеме 133И Е7.

Измерение среднего сдвига фаз между сигналами с частотным сдвигом яляется одной из основных операций в фазометрических системах при определении углового положения движущегося объекта.

Предлагаемое устройство с помощью простых технических средств и операций позволяет производить измерение среднего сдвига фаз между сигналами с частотным сдвигом, обеспечивая при этом высокую точность и надежнос1 ь измерений.

Инструментальная погрешность устройства, определяемая соотношением часТоТ опорного и эталонного сигналов, при применении современных высокочастотных элементов (микросхем) может составить пренебрежительно малую величину по сравнению с флуктуационной погрешностью, которая в предлагаемом устройстве за счет усреднения измерений уменьшается в VÃß раз. Кроме этого, за счет исключения совпа10

55 дения опорного и измерительного сигналов, устройство обеспечивает достоверность измерений при совпадении импульсов опорного и измерительного сигналов.

Предлагаемое устройство можно vcпользовать для визуального контроля среднего сдвига фаэ. Для этого необходимо из содержимого в реверсивном счетчика 8 вычесть известное расчетное число N2 и результат разделить на число усреднений. В этом случае сигналом "Пуск" в реверсивный счетчик 8 вводится дополнительное число, равное 2Р-1-N2, где Р— число разрядов реверсивного счетчика, а для обеспечения простого процесса деления число усреднений выбирается равным 2, где М вЂ” целое число и результат измерения снимается, начиная с (У+1)-го разряда реверсивного счетчика.

Формула изобретения

Цифровой фаэометр среднего сдвига фаз между сигналами с известным частотным сдвигом, содержащий первый и второй формирователи импульсов, элемент ИЛИ, первый и второй триггеры, первый и второй элементы И и реверсивный счетчик импульсов, входы которого соединены соответственно с выходами элементов И, причем первые входы последних соединены соответственно с инверсным и прямым выходами первого триггера, второй вход первого элемента И соединен с прямым выходом второго триггера, а третий вход первого элемента И и второй вход второго элемента И соединены с клеммой генератора эталонного сигнала, при этом входы первого и второго формирователей импульсов соединены с клеммами соответственно опорного и измерительного входных сигналов, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью расширения области применения за счет обеспечения измерения среднего значения сдвига фаз между сигналами с известным частотным сдвигом и расширения диапазона измеряемых фазовых сдвигов, в него введены третий и четвертый триггеры, третий и четвертый элементы И, два делителя частоты (2П+1), где П = 1,2,3,..., — число периодов сдвига между опорным и измерительным сигналами поделенной частоты, и счетчик числа усреднений, при этом третий вход второго элемента И соединен с инверсным выходом второго триггера, выход первого формирователя импульсов соединен с первым входом третьего элемента И, выход которого соединен со счетным входом первого делителя частоты, первый выход которого соединен c. нулевым установочным входом первого триггера и с единичным установочным входом четвертого триггера, выход ко1709233

Составитель В. Твтерятников

Редактор Ю. Середа Техред M.Mîðãåíòàë Корректор H. Ревская

Заказ 422 Тира Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-ЗЬ, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101 торого соединен с первым входом четвертого элемента И, второй вход которого соединен с выходом второго формирователя импульсов, а его выход соединен со счетным входом второго делителя частоты, выход которого соединен с нулевым установочным входом второго триггера, единичный установочный вход которого соединен с единичным установочным входом первого триггера и с выходом элемента ИЛИ, первый вход которого соединен с вторым выходом первого делителя частоты и с входом счетчика числа усреднений, выход которого соединен с нулевыми установочными входами третьего и четвертого триггеров, а второй вход элемента ИЛИ соединен с входами сброса первого

5 делителя частоты сигнала, реверсивного счетчика импульсов, счетчика числа усреднений, с единичным установочным входом третьего триггера, с единичными установочными входами всех разрядов второго дели10 теля частоты и с клеммой сигнала "Пуск", при этом второй вход третьего элемента И соединен с выходом третьего триггера.