Способ измерения разности фаз между последовательностями периодических импульсов со скважностью больше двух

 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам и средствам измерения разности фаз и предназначено для использования в импульсно-фазовых светодальномерах. Изобретение позволяет расширить область применения путем формирования заданного закона изменения однозначной ветви выходной характеристики. Способ измерения разности фаз заключается в перемножении ограниченных по амплитуде последовательностей периодических импульсов с последующей фильтрацией низкочастотной составляющей. Причем импульсы опорной последовательности модулируют по амплитуде и времени следования. 1 табл , 6 ил

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 R 25/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4797541/21 (22) 28.02.90 (46) 15.05,92. Бюл. N 18 (71) Ленинградский механический институт им, Маршала Советского Союза Устинова

Д.Ф. (72) О.С,Ипатов (53) 621.317(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 991326, кл. G 01 R 25/00, 1979.

Чистяков Н.И. Радиоприемные устройства, М.; Связь, 1974, с, 233-234, (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАЗНОСТИ

ФАЗ МЕЖДУ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЯМИ

ПЕРИОДИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ СО

СКВАЖНОСТЬЮ БОЛЬШЕ ДВУХ

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к методам и средствам измерения разности фаз, и предназначено для использования в импульсноо-фазовых светодал ьномерах, Известен способ измерения разности фаз, заключающийся в перемножении двух гармонических сигналов с последующей фильтрацией низкой частоты, В результате выходное напряжение пропорционально косинусу угла сдвига фазы между входными сигналами, Недостаток этого способа заключается в том, что закон изменения выходного напряжения является гармоническим, однозначно определен видом входных сигналов и не может быть изменен.

Известен способ измерения разности фаз, заключающийся в перемножении двух входных сигналов, фильтрации низкочастотных составляющих, дальнейшем нормиро. Ж 1734039 А1 (57) Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам и средствам измерения разности фаз и предназначено для использования в импульсно-фазовых светодальномерах, Изобретение позволяет расширить область применения путем формирования заданного закона изменения однозначной ветви выходной характеристики. Способ измерения разности фаз заключается в перемножении ограниченных по амплитуде последовательностей периодических импульсов с последующей фильтрацией низкочастотной составляющей. Причем импульсы опорной последовательности модулируют по амплитуде и времени следования. 1 табл., 6 ил. вании и масштабном суммировании синусного и косинусного выходных сигналов. В результате напряжение на выходе линейным образом соответствует разности фаз входных сигналов, Недостатками указанного способа являются сложность реализации и эффективность его работы только при синтезе линейного закона изменения выходного сигнала, Известен способ измерения разности фаз, заключающийся в ограничении по амплитуде двух входных сигналов, их перемножении с последующей фильтрацией низкочастотной составляющей, Однако при измерении разности фаз между сериями прямоугольных импульсов однозначная ветвь выходной характеристики имеет линейный характер (фиг.1а), который не может быть изменен, 1734039

В то же время при использовании фазоизмерительных устройств в импульсно-фазовых светодальномерах линейный закон изменения однозначной ветви выходной характеристики не всегда является оптимальным.

Известно, что среднеквадратическое отклонение (о) измерений дальности относительно истинной (D ) в фазовом светодальномере определяется выражением

0 = sD, где s — коэффициент (в сканирующих светодальномерах).

Поэтому с ростом измеряемой дальности точность измерений объективно падает, Цифровые способы обработки измеренного сигнала дальности предполагают наличие на выходе светодальномера аналого-цифрового преобразователя (АЦП).

Разрядность АЦП определяется, с одной стороны, диапазоном изменения выходного напряжения фазометра — U, с другой — наименьшей из допустимых погрешностей измерения дальности (Л Do) которые меняются в зависимости от измеряемых расстояний (в соответствии с (1)).

Вес младшего разряда АЦП должен быть не более Л Uo, соответствующего Л Do (cM, фиг.1а), Тогда число разрядов определяется как n = . В то же время с ростом дальUiTi

Л0, ности допустимая погрешность измерения растет и в других точках измеряемого диапазона младшие разряды АЦП не используются, так как их вес меньше допустимой погрешности измерений AD< > ЛDo. Поэтому при большом диапазоне измеряемых расстояний и требовании высокой точности в светодальномере необходимо применять многоразрядное АЦП, хотя его младшие, разряды используются только при измерении малых расстояний. А это значительно усложняет техническую реализацию дальномера и уменьшает его быстродействие.

B таких устройствах более целесообразным был бы закон изменения однозначной ветви выходной характеристики в виде зависимости, пропорциональной величине

m — D или m — D, где m — число, что позво2 3 лило бы значительно сократить количество разрядов АЦП за счет увеличения веса младшего разряда от Л Do до Л De с ростом измеряемой дальности в соответствии с (1) (фиг.1 б,в), В некоторых случаях с целью сжатия измеряемого диапазона целесообразная логарифмическая зависимость выходного напряжения фазометра в пределах зоны однозначности выходной характеристики, Возможны и другие требования к закону изменения сигнала на выходе фазоизмерительной схемы. Известный спо5 соб не может осуществлять перестройку закона изменения однозначной ветви своей выходной характеристики в соответствии с заданными требованиями, Целью изобретения является расшире10 ние области применения путем формирования заданного закона изменения однозначной ветви выходной характеристики за счетдополнительных модуляций опорной последовательности импульсов.

15 Указанная цель достигается тем, что согласно способу измерения разности фаз, заключающемуся в перемножении ограниченных по амплитуде последовательностей периодических импульсов со скважностью

20 больше двух с последующей фильтрацией низкочастотной составляющей, модулируют импульсы опорной последовательности по амплитуде и времени следования.

На фиг.1 показаны выходная характери25 стика прототипа, одна из возможных характеристик устройства, реализующего способ и схема определения необходимого числа разрядов последующего АЦП; на фиг.2— схема выбора аппроксимирующих прямых;

30 на фиг.3 — графики, поясняющие работу устройства, осуществляющего способ; на фиг.4 — блок-схема устройства, реализующего способ; на фиг.5 — пример техреализации амплитудного модулятора; на фиг.б — при35 мер техреализации счетчика.

Способ осуществляют следующим образом.

Пусть на выходе фазометра для однозначной возрастающей ветви характеристи40 ки необходимо синтезировать закон U»i>< =

= 0 р, имеющи и положительную вторую производную, Проведем кусочно-линейную аппроксимацию заданной зависимости, при этом выберем узловые точки pi, так, чтобы

45 на участке pc(pi;р +1) ошибка аппроксимации не превосходила заданную 5,Ui (фиг.2). Алгоритм выбора аппроксимирующих прямых и соответствующих узлов определяется следующими положениями, 1. Уравнение прямой у = 1 (р), проходящей через точки U (p ) и U(pi +>) кривой

Usi,ix = U (p), имеет вид

55 у (<р — р) + u(pi). (2)

pi+1 р

2. Для каждой из аппроксимирующих прямых значение pi iизвестно. Для первого узла po - О, а для других — нижняя граница

1734039 рассматриваемого участка р совпадает с верхней границей предыдущего, Известен закон изменения 0 (p) и допустимая погрешность аппроксимации на каждом участке Л0ь Отсюда возможно определение 5 значения верхнего узла р +1 следующим образом.

1Лаксимальная ошибка аппроксимации на участке имеет место при некотором значении p ai, определяемом выражением (поиск экстремума (yi — u (p.;)) = о

15 откуда с учетом (2) следует

u () (Р+1 (P)

Pi+1 (3) 20

С другой стороны, ошибка аппроксимации не может превосходить допустимую погрешность Л О, отсюда

Л Ui =Iу (p;) — 0 (;) I (4) С учетом (2) — (4) имеем систему из двух уравнений с двумя неизвестными

Psi Pi+1

0 (,) U(p+ 1) U (Р)

Pi +1

Л0 „+ „, (у — у )+ 35

+ о(р) - о(р.;) (5) Система (5) позволяет определить p + 1 и тем самым получить по выражению (2) 40 уравнение аппроксимирующей прямой.

3. Определение узлов р +1 и аппроксимирующих прямых производится последовательно,. Для pp = О по (5) определяется p1 . Для следующего участка 45 на место p i в (3) и (4) подставляется р1 и определяется

f фронтов. Тогда на выходе фазометра имеет место напряжение, равное сумме величин, пропорциональных произведению соответствующих входного и опорного импульсов в их перекрывающейся части, Таким образом, имеем где А — амплитуда входного импульса;

Bi — амплитуда соответствующего опорного импульса на входе перемножителя;

p = 27г1с, где ti — длительность перекрывающейся части сравниваемых импульсов (фиг.3a), Очевидно, что с ростом времени задержки входной последовательности импульсов ti u pi будут линейным образом изменяться, Ка фазоизмерительное устройство поступает последовательность из М импульсов, поэтому в результирующее напряжение определяет осредненный результат фазового измерения по N периодам, Результат измерений в каждом из периодов определяется имплитудами входного и опорного импульсов, а также их фазовым сдвигом.

Модулируя опорные импульсы по амплитуде (В), возможно изменение крутизны выходной характеристики (см,,выражение (6)), а использование модуляции по времени следования опорных импульсов дает возможность производить эти изменения в определенный момент времени. Действительно, при измерении сдвига фазы между двумя одинаковыми периодическими последовательностями из .N импульсов измерение по закону (6) производится одновремен но в каждом из периодов (фиг.Зб). В.случае временной и амплитудной модуляции опорной серии импульсов измерение в каждом из периодов производится с соответствующей крутизной и с определенным временным запаздыванием, что позволяет придать выходной характеристике вид кусочно-линейной функции с возможностью ее произвольного формирования (фиг.Зв), Выбор законов модуляции опорной серии импульсов определяется требуемым видом выходной характеристики по алгоритму 1-3.

Рассмотрим соответствующую процедуру для функции 0 цх = U (p), имеющей положительной вторую производную (фиг.Зв).

Пусть в соответствии с алгоритмом 1-3 выбрана кусочно-линейная функция и определены К узлов: pp..., pi<, для каждого из

Участков Pp — Pi: P1 — P2:... Р— 1 — Pk

1734039 определены аппроксимирующие прямые: уа1 = СО1 р при ф =Гас, pi)

yo .= С1,2 p+ F,ã при p4p1 Q) ук1, = С 1,k p+ Рк1,k при pcfp — 1,p<) Установим законы модуляции опорной серии импульсов, позволяющие синтезировать заданный вид однозначной ветви выходной характеристики. Пусть амплитуда входных импульсов после амплитудного ограничителя равна А. Тогда согласно (6) амплитуда и время задержки соответствующего опорного импульса определяется согласно таблице.

Выражения приведены с учетом того, что при осреднении на ФНЧ после перемножения последовательностей импул ьсов происходит накопление результатов измерения, 3а счет временной модуляции в опорной серии импульсов при измерении различных фазовых сдвигов число периодов измерений, участвующих в осреднении на данном участке характеристики будет равным (фиг.Зв) — от единицы до числа аппроксимирующих прямых К, Поэтому и амплитуда соответствующего импульса опорной серии выбирается с учетом амплитуд предыдущих импульсов, При числе импульсов в последовательности N больше К, К + 1 опорный импульс имеет параметры

1-го импульса, К + 2 — второго и так далее, что обеспечивает увеличение периодов измерений, участвующих в осреднении на соответствующих участках выходной характеристики.

Осу.цествление способа рассмотрено для функции 0 (p) имеющей положительную вторую производную. Аналогично он применяется и для убывающей ветви характеристики при синтезе закона, имеющего отрицательную вторую производную. Другие виды закона U(p) синтезируются по указанным примерам при использовании инверсного выхода перемножителя.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет сформировать требуемый закон изменения участка однозначной ветви выходной характеристики с необходимой точностью, что обеспечивает расширение функциональных возможностей способа.

Устройство измерения сдвига фазы содержит последовательно соединенные первый усилитель-ограничитель 1, управляемую линию 2 задержки, амплитудный модулятор 3, перемножитель 4, фильтр 5

55 низкой частоты, а также второй усилительограничитель 6 и счетчик 7, Выход второго усилителя-ограничителя 6 соединен с вторым входом перемножителя 4, выход первого усилителя-ограничителя соединен с входом счетчика 7, выход которого соединен с управляющими входами управляемой линии 2 задержки и амплитудного модулятора 3, Первый и второй усилители-ограничители 1 и 6, а также перемножитель 4 реализуется по известной схеме.

Фильтр низкой частоты 5 представляет из себя интегратор на операционном усилителе.

Амплитудный модулятор 3 (фиг.5) состоит из последовательно соединенных набора задатчиков 8 напряжения, мультиплексора

9 и преобразователя 10 уровня. При этом управляющие входы мультиплексора 9 являются управляющим входом всего амплитудного модулятора. 3, а второй (информационный) вход преобразователя

10 уровня является входом амплитудного модулятора 3, Задатчики 8 напряжения реализуются в виде потенциометров и источника напряжения.

Счетчик 7 (фиг.6) выполняется в виде соединения двоичного счетчика 11 и цифровых компараторов 12 и 13 (на основе АЛУ

564 ИПЗ), причем выходы цифровых компараторов 12,13 соединены через элемент

ИЛИ 14 с входом обнуления двоичного счетчика 11, Порог срабатывания цифрового компаратора 12 установлен равным числу К (число различно модулированных импульсов опорной серии), а порог срабатывания компаратора 13 установлен равным числу импульсов в опорной последовательности — N.

Устройство работает следующим obpaзом.

На входе первого 1 и второго 2 усилителей-ограничителей приходят соответственно опорная и входная последовательности импульсов, где они ограничиваются по амплитуде и формируются по форме. Опорная серия поступает с выхода первого усилителя-ограничителя 1 на вход счетчика 7 и управляемой линии 2 задержки. При этом задержка по входу на управляемой линии 2 задержки больше, чем время срабатывания счетчика 7. В соответствии с номером импульса в пришедшей последовательности счетчик изменяет цифровой код на своем выходе, который служит управляющим для управляемой линии 2 задержки и амплитудного модулятора 3. Уп10

1734039

35 равляемая линия 2 задержки, пропуская через себя очередной импульс опорной последовательности, увеличивает его время задержки на определенную величину в соответствии с установленным кодом на выходе счетчика 7. B амплитудном модуляторе 3 этот импульс изменяет свою амплитуду до величины, определенной соответствующим эадатчиком напряжения 8 (в соответствии с кодом управления мультиплексор 9 подключает определенное напряжение с задатчика

8 напряжения на вход питания преобразователя 10 уровня, который изменяет амплитуду очередного импульса). Таким образом, перемножитель 4 перемножают последовательно по одному входные импульсы одинаковой имплитуды и фазовой задержки с опорными импульсами, определенным образом промодулированным по амплитуде и времени следования. На фильтре 5 низкой частоты происходит накопление и осреднение результатов измерений, Выбор величины времен задержки на управляемой линии 2 задержки, а также набора напряжений на задатчиках 8 напряжений определяется законами модуляции в соответствии с таблицей.

При повышении числа импульсов величины К (см. таблицу) срабатывает первый цифровой компаратор 12, обнуляя двоичный счетчик 11, и изменение выходного кода на выходе счетчика 7 повторяется заново, начиная с нулевого. По завершении прохождения последовательности опорных импульсов срабатывает второй цифровой компаратор 13, порог которого равен числу импульсов в опорной серии N. Он также

5 обнуляет двоичный счетчик 11. Таким образом, по завершении цикла модуляции, что определяется числом К, а также в конце . опорной серии импульсов счетчик 7 готов начинать отсчет снова.

10 Применение предлагаемого способа.измерения разности фаз между последовательностями периодических импульсов со скважностью больше двух и устройство его осуществления позволяют сформировать

15 заданный закон изменения однозначной ветви выходной характеристики и расширить функциональные возможности их использования.

Формула изобретения

20 Способ измерения разности фаз между последовательностями периодических импульсов со скважностью больше двух, заключающийся в том, что перемножают ограниченные по амплитуде последователь25 ности периодических импульсов с последующей фильтрацией низкочастотной составляющей, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения путем формирования заданного закона

30 изменения однозначной ветви выходной характеристики, импульсы опорной последо-вательности модулируют по амплитуде и времени следования.

1734039

1734039

1734039

Составитель О.Ипатов

Редактор Т.Лазоренко Техред М.Моргентал Корректор С,Шевкун

Заказ 1668 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101