Устройство разрешения многозначности фазовых измерений

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТЬРСКЬМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советскик

Социалистических

Республик о >993146 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (541 М. Кл.э (22) Заявлено 25. 05. 81(21) 3292911/18-21 с присоединением заявки М

G 01 R 25/00

Государственный комитет

СССР по делам изобретений, и открытий (23) Приоритет

f53) УДК 621,317, . 77 (088. 8) Опубликовано 30D 183.Áþëëåòåíü HP 4

Дата опубликования описания 30. 01. 83 (72) Автор изобретения

И .Г.Неплохов (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО РАЗРЕШЕНИЯ МНОГОЗНАЧНОСТИ

ФАЗОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

Изобретение относится к измерению электрических. величин, в частности .кизмерению фаз сигналов, диапазон изменения которых значительно превеавает 360

Устройство может быть использовано в многошкальных фазовых измерителях многозначности фазового отсчета.

Известно устройство устранения, 10 содержащее генераторы селекторных импульсов и элементы И, причем выход первого генератора селекторных импульсов соединен с одним из входов первого элемента И, вход - с одним из входов второго элемента И, кроме того, выход второго генератора селекторных импульсов соединен с другйм входом второго элемеита И,вход - с другим входом первого элемента И Х ).

Основным недостатком устройства является низкое быстродействие, обусловленное необходимостью использования фазовременного преобразо вания. Кроме того, устройство характеризуется невысокой достоверностью измерений, т.е. большой вероятностью неправильного определения числа целых периодов фаэ, вследствие нсгользования лишь двух измерительных шкал.

Известно устройство. раскрытия многозначности фазовых измерений, содержащее блок ввода поправки и последовательно соединенные блок спряжения точной шкалы, сумматор, блок. вычисления остатков, блок анализа, блок вывода результата, причем второй выход блока анализа соединен с входом блока ввода поправки, выход которого соединен с вторым входом сумматора, выход которого соединен с вторым входом блока вывода результатà 52).

Известное устройство обладает довольно высокой достоверностью измерений, однако быстродействие устройства — из-за необходимости вычисления наборов остатков для множества значений остается низким.

Причем этот недостаток усугубляется при увеличении масштаба. точной шкалы измерителя, т.ек при повышении его точности. Кроме того, в устройстве определяется только число целых циклов фазы измерений по точной шкале, в результате чего не реализуется потенциальная точность измерителя.

Цель изобретения — повышение бы.стродействия устройства наряду с

993146 обеспечением высокой достоверности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство разрешения. многозначности фазовых измерений., содержащее m фазовых датчиков, m-1 5 блоков определения остатка от округ» ления, m-1 сумматор, введены m-l, m-входовых весовых сумматоров, m-1 блоков округления до целого, m -m блоков умножения, m блоков определе- 1О ния числа целых циклов, m-1 — входовой весовой сумматор, элемент сравнения, причем выходы m фазовых датчиков соединены с соответствуюшими входами m-. входовых весовых 15 сумматоров, выход каждого из которых соединен с входом соответствующего блока определения остатка от округления и с входом блока округления до целого, выход которого соеди- що нен с входом каждого иэ m блоков определения числа целых. циклов, через последовательно соединенные сумматор и соответствуюший блок умножения, кроме того, первые выходы блоков определения остатка от округления соединены с вторыми входами соответствующих сумматоров, вторые выходы — с входами m-1"входового ве. сового сумматора, выход которого соединен. с первым входом элемента сравнения, при этом к выходу элемента сравнения подключены третьи входя сумматоров, а к второму входу— клемма порогового кода.

B предлагаемом устройстве разрешение многозначности производится посредством вычисления m-1-ой координаты проекции m-мерного вектора из.мерений фаэ на гиперплоскость, перпендикулярную вектору масштабных 40 коэффициентов шкал измерителя. ИЭ геометрической интерпретации разрешения многозначности следует, что гиперплоскость разбивается на так называемые собственные или однознач- 45 ные области. Точкам каждой из областей соответствуют определенные наборы чисел целых циклов.

Для данных масштабных коэффициентов шкал измерителя можно определить однозначное соответствие между

m-1 координатами каждого из центров однозначных областей и набором m чисел целых циклов. Кроме того, для оптимальных по критерию максимума - достоверности масштабных коэффициентов сушествуют вполне определенные расположения центров однозначных областей для каждого значения m.

Центры однозначных областей нахо- 60 дятся а вершинах пг,l-мерных прямоугольных параллелепипедов соответствуюших размеров и в их центрах. На гиперплоскости выбирают базис таким образом, чтобы центры параллелепипедов имели целочисленные координаты, а вершины — полуцелочисленные координаты. В этом случае в центральной части параллелепипеда находится одна однозначная область целиком, причем одна часть ее границы совпадает с геранями параллелепипеда, а другая часть определяется линейным уравнением модулей разностей координат проекции вектора измерений фаз и координат центра параллелепипеда. В каждом из 2 углов параллелепипеда находится 1/2 " часть другой однозначной области, центр которой совпадает с соответствующей вершиной параллелепипеда.

При таком выборе базиса легко определить для любой точки гиперплоскости координаты ближайшего (что соответствует разрешению многозначности методом максимального правдоподобия) центра однозначной области, Действительно, округляя координаты точки до целового числа, находим координаты центра параллелепипеда, т.е. координаты центральной однозначной области. Сравнивая взвешенную сумму модулей остатков от округления с постоянной величиной, фиксируем, в случае не превышения ее, попадание точки в центральную однозначную область, в противном случае в одну из угловых областей. В последнем случае координаты центра соответствующей однозначной области вычисляются посредством прибавления к координатам центра параллелепипеда чисел 0,5 с соответствующими знакаMH °

Кроме того, так как укладка центров однозначных областей является решетчатой, то имеется простая, в данноьГ базисе аналитическая связь между координатами центра однозначной области и искомым набором чисел целых циклов, а именно: при изменении величин координат центров однозначных областей пропорционально изменяются значения чисел целых циклов с определенными коэффициентами пропорциональности по каждой координате.

В соответствии с этим числа целых циклов, соответствующие измеренным значениям фаз, определяются г:осредством почленного сложения m-1-ro набора m чисел, постоянных для данных масштабных коэффициентов. шкал измерителя, с весами, равными значениям найденных координат центра однозначной области.

Таким образом, в предлагаемом устройстве при разрешении многозначности фазовых измерений используются определенность форм однозначной области, а также связь между ее расположением на гиперплоскости и соответствуюшими m числами целых циклов, 993146

35 вследствие чего отпадает необходимость в переборе векторов неоднозначности.

Кроме того, разбиение гиперплоскости на однозначные области описанным Выше образом совпадает с = разбиением при разрешении многозначности. по методу максимума правдоподобия, а это обуславливает получение максимально возможной достоверности измерений. 10

За счет этого достигается высокое быстродействие устройства, практически не зависящее от числа шкал и их суммарной неоднозначности, и обеспечивается высокая достоверность измерений.

На фиг.1 изображена функциональная схема устройства; на фиг.2 расположение однозначных областей, их центров, соответствующие им зна- 20 чения чисел целых циклов и параллелепипеды (изображены пунктиром) -для случая масштабных коэффициентов шкал 14,9,8; на фиг.3 — периоды неоднозначности шкал измерителя 25 (обозначены черточками) и значения фазовых измерений по шкалам (обеспечены кружками 0,0,99, 0,5) с учетом неоднозначности, и значения полных фаз после разрешения много- 30 значности (отмечены точками); на фиг.4 - значения фазовых измерений по шкалам 0 95; 0 12; 0,3; на фиг.5. — значения измерений по шкалам 0,3; 0,7; 0,7.

Устройство состойт из m фазовых датчиков 1, m-1, m-входовых весовых сумматоров 2, m-1 блоков 3 округления до целого, m-1 блоков 4 определения остатка от округления m-1, 40 сумматоров 5, пР-т блоков б умножения, m блоков 7 определения числа целых циклов, m-1-входового весового сумматора 8, элемента 9 сравнения, клеммы 10 порогового кода, при- 45 чем выходы m фазовых датчиков 1 соединены с соответствующими входами m-входовых весовых сумматоров 2, выход каждого из которых соединен с входом блока 4 определения остатка от округления и с входом блока 3 округления до целого, выход которого соединен с входом каждого из m блоков 7 определения числа целых циклов через сумматор 5 и соответствующий блок б умножения. Кроме того, первые выходы блоков 4 определения остатка от округления соединены с вторыми входами соответствующих сумматоров 5,вторые вйходы — с входами

m-1-входового весового сумматора 8, выход которого соединен с входом элемента 9 сравнения, при этом к выходу элемента 9 сравнения подключены третьи входы сумматоров 5, а второй ее вход соединен с клеммой. 65

Устройство работает следующим образом: m --фазовых датчиков 1 измеряют значения дробных частей фаз

Ч1, 12 ) .Чщ которые в виде двоичнйх параллельных арифметических разрядных (2" соответствует 360 ) кодов поступают на входы в-входовых весовых сумматоров 2. В каждом весовом сумматоре 2 производится умножение значений Ч„, Ч, ... Ч„ на соответствующие постоянные коэффициенты и суммирование, в результате чего с их выходов снимаются m-1 значений . величин + 2 2 + ° ° ° + 1 4

12 2 22 2 2 4i

° ° ° Ф ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° °

tm = а а

Коэффициенты а; в весовых сумматорах 2 выбраны таким образом, чтобы новые оси координат были перпендикулярны между собой и,кроме того,перпено, Ч.,-.- 1о,„), Т где о; - целочисленный масштабный коэффициент i-ой шкалы. При -этом все координатные оси проходят через центры однозначных областей, причем

m-2 из них — через центры ближайших к началу координат однозначных областей; Масштабы по.осям выбраны таким образом, что центры однозначных областей имеют координаты К, Е, m или К+0,5; В +0,5; m+0,5, где К, Ю, m — - целые.

С выходов весовых сумматоров 2 величины „,, ... (в виде двоичных арифметических параллельных кодов поступают на входы блоков 3 округления до целого и блоков 4 определения остатка от округления. В блоках 3 округления до целого производится определение ближайших к 1„, 2,...п . целых чисел („), 2 v C g

Таким образом производится ойре-. деление координат центра параллелепипеда, в котором находится проекция вектора измерений, фаэ, а следовательно, и координат соответствую- . щей центральной однозначной области.

Каждое из полученных значений-в виде параллельного арифметического кода поступает на первый вход соответствующего сумматора 5.

Кроме того, коды чисел,, 1 ...,,„ с выходов m-axo oasx весовых сумматоров 2 поступают на входы блоков 4 определения остатка от округления. В блоках 4 определения остатка от округления определяются модули Величин дя д я „, а 1 на которые изменяются величины (., (.,...,,„„после округления до целого, и их знаки. Информация о последних в виде сигналов, уров-. ней логической единицы или нуля с первых выходов блоков 4 определения остатка до округления поступает на

993146 вторые входы соответствующих сумматоров, а коды абсолютных значений величин д,, л y2,..., d »L „„.„со вторых выходов йоступают на входы m-1-входового весового сумматора 8, где определяется их взвешенная сумма:

y, = c. y„>+a„

12 1. 2

= (»» )+Ь

"m-1 m-1 П»-1

40 где lb i= (О, при с1с1пар (О, 5 при d >й пар знак b; совпадает со знаком велиЧИНЫ В 1.

С выходов сумматоров 5 снимаются найденные коды координат центра однозначной области, каждый иэ этих кодов далее поступает на входы m блоков 6 умножения, где производится умножение на постоянные коэффициенты с i j где i=1-и» ° j = 1-(m-1) .

В блоках 7 определения целых циклов происходит суммирование величин, которые поступают на их вхо,zqa с выходов блоков 6 умножения

S0

+С +--+С

«"«г 4 - 1m-1 m-1 2 С2»(2272»"лС»(60

»„ +С +... C

m m1 1 m2 "2 " rnm-1-m-1 и определение числа целых циклов рУ (2 Prrr-1 гп-1

Далее значение величины d с выхода m-1-входового весового сумматора 8 поступает в виде параллельного двоичного арифметического кода на первый вход элемента 9 сравнения, а на второй ее вход поступает пороговый код с клеммы 10 порогового кода.

Если величина Й меньше значения

dr»o порогового кода, то с выхода элемента 9 сравнения на третьи входы сумматоров 5 поступает нулевой код, что соответствует случаю попадания проекции вектора измерений 20 фаз центральную. однозначную область. Если же величина d больше пороговой величины и пар р то на третьи в ходы сумматоров 5 поступает код-числа 0,5, что соответствует 25 случаю попадания проекции вектора измерений фаз в одну иэ угловых однозначных областей параллелепипеда.

В первом случае в сумматорах 5 производится операция сложения кодов $0 чисел, поступающих на их первые вхож с нулевым кодом, во втором — с кодами числа 0,6, взятого со знаками, поступающими на вторые входь» ».1= 1 (.О.» 1

Ч.2™2-Ч. Е

1rn m»ою m целые числа, выбираются из условия

0- l1 (1,1

0- LZ C Чо2

0< tLm (»Lorn

Ф

» оды чисеЛ целых циклов "L1, L2 . ° ° ° ° »(.щ поступают на выход блоков 7 определения числа целых циклов, причем выходы этих блоков являются выходами устройства разрешения многоэ» ачности.

Таким образом, в предлагаемом устройстве разрешения многозначности фазовых измерений производится сравнение лишь двух величин, пропорциональных квадратам расстояний: от точки проекции вектора измеренных фаз до центра центральной однозначной области и до центра угловой.

За счет этого и достигается высокое быстродействие устройства. Кроме того, так как разбиение гиперплоскости на однозначные области совпадают с разбиением при разрешении многозначности по методу максимального правдоподобия, то для ошибок фазовых измерений, описываемых унимодальными симметричными законами распределения вероятностей, достигается максимально возможная достоверность. уст »ойство легко реализуется на элементах цифровой логики.

В предлагаемом устройстве не производится перебор различных наборов чисел целых циклов с целью определения наиболее вероятных из них, разрешение многозначности осуществления в процессе выполнения нескольких алгебраических операций. Кроме того, форма однозначных областей (фиг.2) максимально приближается к гиперсфере, вследствие чего достигается максимальная достоверность для всех случаев унимодальных симметричных законов распределения вероятностей фазовых ошибок.

Использование изобретения позволяет повысить быстродействие устройства разрешения многозначности фазовых измерений на один два порядка в зависимости от суммарной неоднозначности шкал измерителя. Причем время обработки фазовых измерений практически не увеличивается с возрастанием числа шкап.

993146

Формула из обрете ни я устройство разрешения многозначности фазовых измерений, содержащее

m фазовых датчиков, (m-1) блоков определения остатка от округления, (m-1)сумматоров, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью повышения быстродействия наряду с обеспечением высокой достоверности, в него введены (m-l), m- входовых весовых сумматоров, m-1 блоков округления до целого, (m -m) блоков умножения m блоков определения числа целых циклов, (m-1)-входовой весовой сумматор, элемент сравнения, причем выходы

m фазовых датчиков соединены с соответствующими входами m-входовых весовых сумматоров, выход каждого из которых соединен с входом соответствующего блока определения остатка от округления и с входом блока округления до целого, выход которого соединен с входом каждого иэ

m блоков определения числа целых циклов через последовательно соединенные сумматор и соответствующий блок умножения, кроме того, первые выходы блоков определения остатка от округления соединены с вторыми

:входами соответствующих сумматоров, вторые выходы - с входами (m-1)-входового весового сумматора, выход которого соединен с первым входом элемента сравнения, при этом к выходу элемента сравнения подключены третьи входы сумматоров, а к второму входу - клемма порогового кода.

Источники информации

15 принятые во внимание при экспертизе.

1.Ипатов В.П.,Титов A.Â. К вопросу об однозначности и точности фа. зовых измерений при двухчастотном излучении.- Радиотехника и электg() ротехника, т.XVtG 91, 1973, с.194, рис.2.

2. Кучумов B.A. Аналоговое устройство раскрытия многозначности фазовых. измерений. Труды МЭИ.

2 Вып.270, 1970, с.119, рис.l°.