RU2582625C1

RU2582625C1 - Phasemeter

Info

Publication number: RU2582625C1
Application number: RU2015106094/28A
Authority: RU
Inventors: Вадим Аркадьевич Жмудь; Александр Валерьевич Ляпидевский
Priority date: 2015-02-20
Filing date: 2015-02-20
Publication date: 2016-04-27

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: invention can be used in radio engineering and other industries for precision measurement of phase difference of pairs of signals, and its variation in time. Phase meter, which includes: a double-channel heterodyne converter, two analogue-to-digital converters, two signal processing channels, a time-setting device, data collection and processing device; note here, that two inputs of the heterodyne converter are inputs of the device, each of two outlets of heterodyne converter is connected via an appropriate analog-to-digital converter with an input of the corresponding signal processing channel, each signal processing channel is connected via both outputs to inputs of the data collection and processing device, the time-setting device is connected via its output with clock inputs of both analogue-to-digital converters, as well as with clock inputs of both signal processing channels and with the clock input of the data collection and processing device; every data processing channel comprises eight registers, while in every channel the output of the fifth register is connected to the input of the sixth register, the output of the seventh register is connected to the input of the eighth register, the clock input of every signal processing channel is connected to clock inputs of all registers, being different by the fact that every signal processing channel includes a switching center, two subtractors and two adders, while the switching centre input is the input of the signal processing channel, its four outputs are connected with the first four registers, while the outputs of the first and third registers are connected to inputs of the first subtractor, the outputs of the second and fourth registers are connected to inputs of the second subtractor, the outputs of the first and second subtractors are connected to inputs of the fifth and seventh registers, the outputs of the fifth and sixth registers are connected to inputs of the first adder, and outputs of the seventh and eighth registers are connected to inputs of the second adder, and the outputs of the adders are outputs of signal processing channels.

EFFECT: technical result consists in acceleration of operating speed.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться в радиотехнике и других отраслях промышленности для прецизионного измерения разности фаз пары сигналов, и ее изменения во времени.The invention relates to measuring equipment and can be used in radio engineering and other industries for precision measurement of the phase difference of a pair of signals, and its changes over time.

Прецизионное измерение разности фаз пары сигналов необходимо при создании лазерных и радиочастотных измерителей вибраций и перемещений, где малые изменения фазы несут информацию об исследуемых процессах. Сигнал на входе фазометра - чаще всего гармонический. Разность фаз Δφ(t) изменяется во времени и должна быть измерена с высокой точностью в широкой полосе частот.Precise measurement of the phase difference of a pair of signals is necessary when creating laser and radio-frequency meters for vibration and displacement, where small phase changes carry information about the processes under study. The signal at the input of the phase meter is most often harmonic. The phase difference Δφ (t) varies over time and must be measured with high accuracy in a wide frequency band.

Известны высокочастотные широкополосные фазометры различных конструкций, измеряющие разность фаз двух гармонических сигналов.Known high-frequency broadband phase meters of various designs, measuring the phase difference of two harmonic signals.

Например, известен фазометр, включающий: двухканальный гетеродинный преобразователь, два аналого-цифровых преобразователя (АЦП); времязадающее средство, средство сбора и обработки данных [В.А. Жмудь, Д.О. Терешкин. Факторы, ограничивающие быстродействие цифрового фазометра с гетеродинным преобразованием частоты. Автоматика и программная инженерия. 2014. 3(9), с.89-94. с.90, рис.1, http://www.jumal.nips.ru/sites/default/files/AИПИ-3-2014-10.pdf].For example, a phase meter is known, including: a two-channel heterodyne converter, two analog-to-digital converters (ADCs); time-consuming means, means of collecting and processing data [V.A. Zhmud, D.O. Tereshkin. Factors limiting the speed of a digital phasemeter with a heterodyne frequency conversion. Automation and software engineering. 2014.3 (9), pp. 89-94. p.90, fig. 1, http://www.jumal.nips.ru/sites/default/files/AIPI-3-2014-10.pdf].

Гетеродинный преобразователь фазометра содержит генератор, два смесителя и два фильтра низких частот. Этот фазометр работает следующим образом. Входные сигналы U₁и U₂ высокой частоты поступают на входы гетеродинного преобразователя. Каждый из сигналов на своем смесителе умножается на сигнал с выхода генератора, результат умножения на выходе смесителей пропускается через соответствующий фильтр низких частот. На выходе каждого из фильтров формируется сигнал разностной частоты, при этом разность фаз этих сигналов равна разности фаз входных сигналов. Таким образом, гетеродинный преобразователь понижает частоту входных сигналов, сохраняя их разность фаз. Это позволяет привести в соответствие измеряемую частоту с тем значением, которое наилучшим образом соотносится с рекомендуемой частотой преобразования аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Это позволяет обеспечить нужное соотношение частот, а именно: частота сигналов на выходах гетеродинного преобразователя ω₀ приблизительно в четыре раза меньше, чем частота ω₀ преобразования АЦП. Эти сигналы с выходов гетеродинного преобразователя поступают на входы АЦП. Получая четыре отсчета на период своей входной частоты ω₁, каждый из двух АЦП, таким образом, формирует серию отсчетов, каждый из которых сдвинут по фазе на четверть периода входной частоты АЦП. Получаемые отсчета АЦП совместно с сигналами от времязадающего средства поступают на вход средства сбора и обработки данных. Этим средством может быть, например, персональный компьютер. Это средство сбора и обработки данных обрабатывает далее получаемые сигналы по известному алгоритму, вычисляя разность фаз. Например, попарно вычитая четные и нечетные отсчеты, средство сбора и обработки данных может вычислять разностные отсчеты, которые равны удвоенным значениям когерентной и квадратурной компонент сигнала разностной частоты. При этом разностной частотой является разница между частотой входного сигнала и одной четвертью частоты преобразования: Δω=ω₁-ω₀/4. Далее для обеспечения высокой точности указанные разностные отсчеты преобразуются в отсчеты, привязанные к одинаковым моментам времени. А именно, для этого следует получить две последующие разности таких сигналов и осуществить их алгебраическое сложение с различными коэффициентами - одна из разностей берется с коэффициентом 3, а другая из разностей берется с коэффициентом 5. Таким образом, для получения первого отсчета фазы требуется получение четырех разностных отсчетов: по два на когерентную и на квадратурную компоненты. Иными словами, эта задержка равна времени для получения восьми исходных последующих отсчетов АЦП от их входного сигнала, частота которого равна ω₁. Недостатком этого фазометра является недостаточное быстродействие, связанное с тем, что для получения первого отсчета разности фаз требуется получение восьми отсчетов сигналов на входах АЦП, то есть задержка составляет два периода частоты ω₁, поскольку эта частота в четыре раза меньше частоты ω преобразования АЦП.The heterodyne phasemeter converter contains a generator, two mixers and two low-pass filters. This phase meter works as follows. The input signals U ₁ and U ₂ high frequency are fed to the inputs of the local oscillator Converter. Each of the signals on its mixer is multiplied by the signal from the output of the generator, the result of the multiplication at the output of the mixers is passed through the corresponding low-pass filter. At the output of each filter, a difference frequency signal is generated, while the phase difference of these signals is equal to the phase difference of the input signals. Thus, the heterodyne converter lowers the frequency of the input signals, preserving their phase difference. This allows you to bring the measured frequency in line with the value that best matches the recommended conversion frequency of analog-to-digital converters (ADCs). This allows you to provide the desired ratio of frequencies, namely: the frequency of the signals at the outputs of the heterodyne converter ω _{0 is} approximately four times less than the frequency ω _{0 of} the ADC conversion. These signals from the outputs of the heterodyne converter are fed to the inputs of the ADC. Getting four samples for the period of its input frequency ω ₁ , each of the two ADCs, thus, forms a series of samples, each of which is phase shifted by a quarter of the period of the input frequency of the ADC. The received ADC readings, together with the signals from the time-consuming means, go to the input of the data collection and processing facility. This tool may be, for example, a personal computer. This means of collecting and processing data further processes the received signals according to a known algorithm, calculating the phase difference. For example, subtracting even and odd samples in pairs, the data collection and processing tool can calculate difference samples, which are equal to twice the values of the coherent and quadrature components of the difference frequency signal. In this case the difference frequency is the difference between the frequency of the input signal and one quarter the frequency conversion: Δω = ω ₁ -ω _0/4. Further, to ensure high accuracy, these difference samples are converted into samples tied to the same points in time. Namely, for this it is necessary to obtain two subsequent differences of such signals and carry out their algebraic addition with different coefficients - one of the differences is taken with a coefficient of 3, and the other of the differences is taken with a coefficient of 5. Thus, to obtain the first phase reference, it is necessary to obtain four difference counts: two for the coherent and quadrature components. In other words, this delay is equal to the time to obtain eight initial subsequent ADC samples from their input signal, whose frequency is ω ₁ . The disadvantage of this phase meter is the lack of speed due to the fact that in order to obtain the first sample of the phase difference, eight samples of the signals at the ADC inputs are required, i.e. the delay is two periods of the frequency ω ₁ , since this frequency is four times less than the frequency ω of the ADC conversion.

Наиболее близким к заявляемому фазометру является фазометр, принятый за прототип, включающий: двухканальный гетеродинный преобразователь, два аналого-цифровых преобразователя (АЦП), два канала обработки сигналов, времязадающее средство, средство сбора и обработки данных; при этом два входа гетеродинного преобразователя являются входами устройства, каждый из двух выходов гетеродинного преобразователя соединен через соответствующий АЦП с входом соответствующего канала обработки сигналов, каждый канал обработки сигналов соединен обоими выходами с входами средства сбора и обработки данных, времязадающее средство соединено своим выходом с тактовыми входами обоих АЦП, а также с тактовыми входами обоих каналов обработки сигналов и с тактовым входом средства сбора и обработки данных; каждый канал обработки данных содержит восемь последовательно соединенных регистров и два алгебраических сумматора с четырьмя входами, причем на каждом из входов имеется множительный коэффициент, равный трем или пяти со знаком плюс или минус; при этом вход первого сумматора является входом канала обработки данных и каждые выходы первого, третьего, пятого и седьмого регистров соединены с входами первого сумматора с коэффициентами соответственно плюс три, минус три, плюс пять и минус пять, выходы второго, четвертого, шестого и восьмого регистров соединены с входами второго сумматора с коэффициентами соответственно плюс пять, минус пять, плюс три и минус три; тактовый вход каждого канала обработки сигналов подключен к тактовым входам всех регистров и обоих сумматоров внутри каждого канала обработки сигналов [В.А. Жмудь, Д.О. Терешкин. Факторы, ограничивающие быстродействие цифрового фазометра с гетеродинным преобразованием частоты. Автоматика и программная инженерия. 2014. 3(9), с.89-94. с.91, рис.1. http://www.iumal.nips.ru/sites/default/files/АИПИ-3-2014-10.pdf]. Этот фазометр работает следующим образом.Closest to the claimed phase meter is a phase meter adopted as a prototype, including: a two-channel heterodyne converter, two analog-to-digital converters (ADCs), two signal processing channels, a timing device, a means of collecting and processing data; in this case, the two inputs of the heterodyne converter are the inputs of the device, each of the two outputs of the heterodyne converter is connected through the corresponding ADC to the input of the corresponding signal processing channel, each signal processing channel is connected by both outputs to the inputs of the data acquisition and processing means, the timing device is connected by its output to the clock inputs both ADCs, as well as with the clock inputs of both signal processing channels and with the clock input of the data collection and processing facility; each data processing channel contains eight series-connected registers and two algebraic adders with four inputs, and on each of the inputs there is a multiplying factor equal to three or five with a plus or minus sign; the input of the first adder is the input of the data processing channel and each outputs of the first, third, fifth and seventh registers are connected to the inputs of the first adder with coefficients plus three, minus three, plus five and minus five, the outputs of the second, fourth, sixth and eighth registers connected to the inputs of the second adder with coefficients, respectively, plus five, minus five, plus three and minus three; the clock input of each signal processing channel is connected to the clock inputs of all registers and both adders inside each signal processing channel [V.A. Zhmud, D.O. Tereshkin. Factors limiting the speed of a digital phasemeter with a heterodyne frequency conversion. Automation and software engineering. 2014.3 (9), pp. 89-94. p. 91, fig. 1. http://www.iumal.nips.ru/sites/default/files/AIPI-3-2014-10.pdf]. This phase meter works as follows.

Входные сигналы фазометра U₁ и U₂ поступают на входы гетеродинного преобразователя, который переносит их частоту на новую несущую частоту ω₁ тем способом, который описан выше, обеспечивая описанное выше соотношение между частотой преобразования ω₀ и полученной несущей частотой ω₁, то есть: Δω=ω₁-ω₀/4. Сигналы U₃ и U₄, получаемые на выходах гетеродинного преобразователя, поступают на входы АЦП и преобразуются в цифровые отсчеты в моменты времени t_n, задаваемые времязадающим устройством. АЦП формируют цифровые отсчеты значений входных сигналов с частотой следования ω₀. Эти отсчеты поступают на входы соответствующих каналов обработки сигналов.The input signals of the phase meter U ₁ and U ₂ are fed to the inputs of the heterodyne converter, which transfers their frequency to the new carrier frequency ω ₁ in the manner described above, providing the above-described relationship between the conversion frequency ω ₀ and the received carrier frequency ω ₁ , that is: Δω = ω ₁ -ω _0/4. The signals U ₃ and U ₄ received at the outputs of the heterodyne converter are supplied to the ADC inputs and converted to digital samples at time t _n specified by the time-setting device. ADCs form digital samples of input signals with a repetition rate of ω ₀ . These samples arrive at the inputs of the respective signal processing channels.

Каждый из каналов обработки сигналов преобразует последовательности этих отсчетов, поступающих от АЦП, в новые последовательности отсчетов, соответствующие когерентной X и квадратурной Y компонентам разностной частоты Δω=ω₁-ω₀/4. При этом фаза когерентной компоненты X равна разности фаз входного сигнала U₁ (или U₂) и опорного сигнала U₀ от генератора, входящего в состав гетеродинного преобразователя. Фаза квадратурной компоненты Y отличается на π/2 от фазы когерентной компоненты. Частота следования отсчетов когерентной и квадратурной компонент на выходе каналов обработки равна ω₀/4.Each of the signal processing channels converts the sequence of samples received from the ADC in the new sequence of samples corresponding coherent X and Y quadrature components of the difference frequency Δω = ω ₁ -ω _0/4. In this case, the phase of the coherent component X is equal to the phase difference of the input signal U ₁ (or U ₂ ) and the reference signal U ₀ from the generator, which is part of the heterodyne converter. The phase of the quadrature component Y differs by π / 2 from the phase of the coherent component. Repetition frequency coherent samples and quadrature components of the output processing channels equal to ω _0/4.

Рассмотрим работу одного канала. С целью вычисления искомых когерентной и квадратурной компонент каждый канал вычисляет следующие сигналы:Consider the operation of one channel. In order to calculate the desired coherent and quadrature components, each channel calculates the following signals:

Здесь u_k - выходной сигнал регистра с номером к, считая от первого.Here u _k is the output signal of the register with number k, counting from the first.

Обоснование для этих соотношений дано из простой геометрической интерпретации, которая состоит в следующем. Сдвиг на четверть периода в гармоническом сигнале эквивалентен сдвигу фазы на 90 градусов. Сдвиг на 90 градусов преобразует синус в косинус, поэтому если первый отсчет считать отсчетом когерентной компоненты аналитического сигнала, то второй отсчет можно считать отсчетом квадратурной компоненты аналитического сигнала. Сдвиг на 180 градусов преобразует синус в минус синус, а косинус в минус косинус, поэтому третий отсчет можно считать отсчетом когерентной компоненты со знаком минус, четвертый отсчет можно считать отсчетом квадратурной компоненты со знаком минус. Вычитание из первого отсчета третьего и из второго отсчета четвертого дает удвоенную когерентную и квадратурную компоненты соответственно. При этом из результата устраняется смещение АЦП, что снижает зависимость точности от смещения и от низкочастотных шумов. Отсчеты с номерами 5, 6, 7 и 8 повторяют эту закономерность для последующего периода. Поэтому разности в скобках соотношений (1) и (2) соответствуют удвоенным отсчетам когерентной и квадратурной компонент. По времени эти отсчеты привязаны к середине отрезков времени между временами получения вычитаемых отсчетов. Коэффициенты три и пять обоснованы из геометрических соотношений, а именно если требуется привязать два отсчета к единой точке времени, следует сложить их с коэффициентами, пропорциональными удалению во времени этих отсчетов. Таким образом, каждый из каналов обработки сигналов вычисляет когерентные и квадратурные отсчеты сигналов разностной частоты, которые попарно привязаны к одному и тому же моменту времени.The rationale for these relations is given from a simple geometric interpretation, which consists in the following. A quarter-period shift in a harmonic signal is equivalent to a phase shift of 90 degrees. A 90-degree shift converts the sine to cosine, so if the first sample is considered to be the sample of the coherent component of the analytical signal, then the second sample can be considered the sample of the quadrature component of the analytical signal. A 180-degree shift converts the sine to minus sine, and the cosine to minus cosine, so the third count can be considered the count of the coherent component with the minus sign, the fourth count can be considered the count of the quadrature component with the minus sign. Subtraction from the first sample of the third and from the second sample of the fourth gives the doubled coherent and quadrature components, respectively. In this case, the ADC bias is eliminated from the result, which reduces the dependence of accuracy on the bias and on low-frequency noise. Samples with numbers 5, 6, 7 and 8 repeat this pattern for the next period. Therefore, the differences in the brackets of relations (1) and (2) correspond to double readings of the coherent and quadrature components. In time, these samples are tied to the middle of the time intervals between the times the subtracted samples are received. The coefficients three and five are justified from geometric relationships, namely, if you want to bind two samples to a single point in time, you should add them with coefficients proportional to the distance in time of these samples. Thus, each of the signal processing channels calculates coherent and quadrature samples of difference frequency signals, which are pairwise tied to the same moment in time.

Пара когерентной и квадратурной компонент {X, Y} называется аналитическим сигналом, для вычисления его фазы имеются простые соотношения. Эти пары сигналов от каждого канала обработки сигналов поступают на входы средства сбора и обработки данных, которое вычисляет фазы каждого из аналитических сигналов по известному соотношению:A pair of coherent and quadrature components {X, Y} is called an analytical signal; there are simple relations for calculating its phase. These pairs of signals from each channel of the signal processing are fed to the inputs of the data collection and processing means, which calculates the phases of each of the analytical signals according to the known relation:

Недостатком этого фазометра является недостаточное быстродействие. Как видно из соотношений (1) и (2), для получения первого отсчета фазы требуется получение восьми последовательных отсчетов, что дает задержку на четыре периода частоты ω₀, то есть два периода частоты ω₁.The disadvantage of this phase meter is the lack of speed. As can be seen from relations (1) and (2), to obtain the first phase sample, eight consecutive samples are required, which gives a delay of four periods of frequency ω ₀ , that is, two periods of frequency ω ₁ .

Задачей (техническим результатом), на решение которой направлено изобретение, является повышение быстродействия фазометра.The task (technical result), the solution of which the invention is directed, is to increase the speed of the phase meter.

Поставленная задача решается тем, что предлагается фазометр с гетеродинным преобразователем частоты, включающий: двухканальный гетеродинный преобразователь, два аналого-цифровых преобразователя (АЦП), два канала обработки сигналов, времязадающее средство, средство сбора и обработки данных; при этом два входа гетеродинного преобразователя являются входами устройства, каждый из двух выходов гетеродинного преобразователя соединен через соответствующий АЦП с входом соответствующего канала обработки сигналов, каждый канал обработки сигналов соединен обоими выходами с входами средства сбора и обработки данных, времязадающее средство соединено своим выходом с тактовыми входами обоих АЦП, а также с тактовыми входами обоих каналов обработки сигналов и с тактовым входом средства сбора и обработки данных; каждый канал обработки данных содержит восемь регистров, выход пятого регистра соединен с входом шестого регистра, выход седьмого регистра соединен с входом восьмого регистра, тактовый вход каждого канала обработки сигналов подключен к тактовым входам всех регистров, отличающееся тем, что в каждый канал обработки сигналов введены коммутатор, два вычитателя и два сумматора, причем вход коммутатора является входом канала обработки сигналов, его четыре выхода соединены с первыми четырьмя регистрами, причем выходы первого и третьего регистров соединены с входами первого вычитателя, выходы второго и четвертого регистров соединены с входами второго вычитателя, выходы первого и второго вычитателя соединены соответственно с входами пятого и седьмого регистров, выходы пятого и шестого регистров соединены с входами первого сумматора, а выходы седьмого и восьмого регистров соединены с входами второго сумматора, выходы сумматоров являются выходами каналов обработки сигналов.The problem is solved by the fact that a phase meter with a heterodyne frequency converter is proposed, including: a two-channel heterodyne converter, two analog-to-digital converters (ADCs), two signal processing channels, a timing device, a data acquisition and processing tool; in this case, the two inputs of the heterodyne converter are the inputs of the device, each of the two outputs of the heterodyne converter is connected through the corresponding ADC to the input of the corresponding signal processing channel, each signal processing channel is connected by both outputs to the inputs of the data acquisition and processing means, the timing device is connected by its output to the clock inputs both ADCs, as well as with the clock inputs of both signal processing channels and with the clock input of the data collection and processing facility; each data processing channel contains eight registers, the fifth register output is connected to the sixth register input, the seventh register output is connected to the eighth register input, the clock input of each signal processing channel is connected to the clock inputs of all registers, characterized in that a switch is introduced into each signal processing channel , two subtractors and two adders, the input of the switch being the input of the signal processing channel, its four outputs connected to the first four registers, and the outputs of the first and third registers trov are connected to the inputs of the first subtractor, the outputs of the second and fourth registers are connected to the inputs of the second subtractor, the outputs of the first and second subtracters are connected respectively to the inputs of the fifth and seventh registers, the outputs of the fifth and sixth registers are connected to the inputs of the first adder, and the outputs of the seventh and eighth registers are connected with the inputs of the second adder, the outputs of the adders are the outputs of the signal processing channels.

Схема предлагаемого устройства показана на фиг. 1.A diagram of the device of the invention is shown in FIG. one.

Схема предлагаемого канала обработки сигналов показана на фиг. 2.A diagram of the proposed signal processing channel is shown in FIG. 2.

Эпюры сигналов в одном из каналов обработки сигналов показаны на фиг. 3.Plots of signals in one of the signal processing channels are shown in FIG. 3.

На фиг. 1: In FIG. one:

1 - гетеродинный преобразователь, 2 и 3 - АЦП, 4 - времязадающее средство, 5 и 6 - каналы обработки сигналов, 21 - восьмой регистр, 7 - средство сбора и обработки данных.1 - heterodyne converter, 2 and 3 - ADC, 4 - time-consuming tool, 5 and 6 - signal processing channels, 21 - eighth register, 7 - means of data collection and processing.

На фиг. 2:In FIG. 2:

8 - коммутатор, 9-16 - регистры, 17, 18 - вычитатели, 19, 20 - сумматоры. 8 - switch, 9-16 - registers, 17, 18 - subtractors, 19, 20 - adders.

Гетеродинный преобразователь может быть выполнен на электронной аналоговой технике.The heterodyne converter can be performed on electronic analog technology.

Времязадающим средством может служить таймер.Timer can serve as a timing tool.

АЦП могут быть выполнены на специализированных микросхемах или могут быть использованы готовые АЦП в виде отдельных плат с монтированными на них всеми необходимыми компонентами, имеющиеся в продаже, например фирмы Analog Devices.ADCs can be performed on specialized microcircuits or ready-made ADCs can be used in the form of separate boards with all necessary components mounted on them, commercially available, for example, Analog Devices.

Канал обработки сигналов может быть выполнен аппаратно на цифровых микросхемах или программно-аппаратно на цифровом контроллере.The signal processing channel can be performed hardware on digital circuits or hardware and software on a digital controller.

Средством сбора и обработки данных может служить персональный компьютер.A means of collecting and processing data can serve as a personal computer.

Предлагаемый фазометр с гетеродинным преобразованием работает следующим образом.The proposed phase meter with heterodyne conversion works as follows.

Гетеродинный преобразователь может быть выполнен так же, как в прототипе, и может работать так же, как в прототипе. А именно: входные сигналы фазометра U₁ и U₂ поступают на входы гетеродинного преобразователя, который переносит их частоту на новую несущую частоту ω₁ тем способом, который описан выше, обеспечивая описанное выше соотношение между частотой преобразования ω₀ и полученной несущей частотой ω₁, то есть: Δω=ω₁-ω₀/4. Сигналы U₃ и U₄, получаемые на выходах гетеродинного преобразователя, поступают на входы АЦП и преобразуются в цифровые отсчеты в моменты времени t_n, задаваемые времязадающим устройством. АЦП формируют цифровые отсчеты значений входных сигналов с частотой следования ω₀. Эти отсчеты поступают на входы соответствующих каналов обработки сигналов.The heterodyne converter can be made in the same way as in the prototype, and can work the same as in the prototype. Namely: the input signals of the phase meter U ₁ and U ₂ are fed to the inputs of the heterodyne converter, which transfers their frequency to the new carrier frequency ω ₁ in the manner described above, providing the above-described relationship between the conversion frequency ω ₀ and the received carrier frequency ω ₁ , ie: Δω = ω ₁ -ω _0/4. The signals U ₃ and U ₄ received at the outputs of the heterodyne converter are supplied to the ADC inputs and converted to digital samples at time t _n specified by the time-setting device. ADCs form digital samples of input signals with a repetition rate of ω ₀ . These samples arrive at the inputs of the respective signal processing channels.

Каждый из каналов обработки сигналов работает таким образом, что в результате каждый канал обработки сигналов преобразует последовательности отсчетов, поступающих от АЦП, в новые последовательности отсчетов, соответствующие когерентной X и квадратурной Y компонентам разностной частоты Δω-ω₁-ω₀/4. При этом фаза когерентной компоненты X равна разности фаз входного сигнала U₁ (или U₂) и опорного сигнала U₀ от генератора, входящего в состав гетеродинного преобразователя. Фаза квадратурной компоненты Y отличается на π/2 от фазы когерентной компоненты. Частота следования отсчетов когерентной и квадратурной компонент на выходе каналов обработки равна ω₀/4.Each of the signal processing channel operates in such a way that as a result of each signal processing channel converts the sequence of samples received from the ADC in the new sequence of samples corresponding coherent X and Y quadrature components of the difference frequency Δω-ω ₁ -ω _0/4. In this case, the phase of the coherent component X is equal to the phase difference of the input signal U ₁ (or U ₂ ) and the reference signal U ₀ from the generator, which is part of the heterodyne converter. The phase of the quadrature component Y differs by π / 2 from the phase of the coherent component. Repetition frequency coherent samples and quadrature components of the output processing channels equal to ω _0/4.

Рассмотрим работу одного канала обработки сигналов, схема которого показана на фиг. 2. Отсчеты сигнала с выхода АЦП 2 в виде параллельного кода поступают на коммутатор 8. Также на коммутатор поступают тактовые сигналы от времязадающего средства 4, что определяет циклы работы коммутатора 8. Этот коммутатор 8 в каждом новом цикле коммутирует параллельный код, поступающий на его вход на очередной регистр, начиная с первого регистра 9, заканчивая четвертым регистром 12, после чего опять коммутирует входной параллельный код на первый регистр 9 и так далее в цикле. Таким образом, в регистры, с первого регистра 9 по четвертый регистр 12, записываются новые значения соответственно первого, второго, третьего и четвертого кодов, формируемых АЦП 2. Обозначим эти коды соответственно u₁₁, u₁₂, u₁₃, u₁₄. Первый индекс означает номер периода входного сигнала, второй индекс от одного до четырех означает номер отсчета в пределах этого периода и одновременно порядковый номер регистра. Вычитатель 17 вычитает из кода с выхода первого регистра 9 код с выхода третьего регистра 11 и выдает результат на вход пятого регистра 13. Вычитатель 18 вычитает из кода с выхода второго регистра 10 код с выхода четвертого регистра 12 и выдает результат на вход седьмого регистра 15.Consider the operation of one signal processing channel, the circuit of which is shown in FIG. 2. The samples of the signal from the output of the ADC 2 in the form of a parallel code are sent to the switch 8. Also, the clock receives signals from the timing device 4, which determines the cycles of the switch 8. This switch 8 in each new cycle commutes the parallel code received at its input to the next register, starting from the first register 9, ending with the fourth register 12, after which the input parallel code switches again to the first register 9 and so on in the cycle. Thus, in the registers, from the first register 9 to the fourth register 12, new values of the first, second, third and fourth codes generated by the ADC 2 are recorded, respectively. Denote these codes by u ₁₁ , u ₁₂ , u ₁₃ , u ₁₄ , respectively. The first index means the period number of the input signal, the second index from one to four means the reference number within this period and at the same time the serial number of the register. Subtractor 17 subtracts the code from the output of the third register 11 from the code from the output of the first register 9 and outputs the result to the input of the fifth register 13. Subtractor 18 subtracts the code from the output of the second register 10 from the output of the fourth register 12 and outputs the result to the input of the seventh register 15.

Таким образом, после четырех циклов отсчета АЦП, в пятом регистре 13 записана разница первого и третьего кодов V₁=u₁₁-u₁₃, а в седьмом регистре 15 записана разница второго и четвертого кодов W₁=u₁₂-u₁₄.С началом второго периода постепенно регистры с первого по четвертых обновляют свои значения, а именно: сначала в первом регистре вместо кода u₁₁ появляется код u₂₁, затем во втором вместо кода u₁₂ появляется код u₂₂, и так далее. С каждым новым циклом коды из пятого и седьмого регистров перемещаются в шестой и восьмой регистры соответственно. Выходные коды пятого и шестого регистров суммируются первым сумматором и поступают к средству сбора и обработки данных в виде отчета когерентной компоненты разностной частоты. Также выходные коды седьмого и восьмого регистров суммируются вторым сумматором 20 и поступают в средство сбора и обработки данных в виде отсчета квадратурной компоненты разностной частоты. Обновление данных в каждом из регистров с первого по четвертый осуществляется один раз за четыре такта. Поэтому обновление результата суммирования на выходах вычитателей 17 и 18 осуществляется один раз за два такта: сначала за счет изменения данных на одном из регистров, который выдает свои коды на один из входов этого вычитателя, затем за счет изменения кодов на другом регистре, и так далее. Поэтому в пятом и седьмом регистрах коды обновляются один раз за два цикла. Эти коды движутся из пятого регистра в шестой, а из седьмого - в восьмой. Поскольку сумматоры суммируют коды пятого и шестого регистра и коды седьмого и восьмого регистров, то к средству сбора и обработки данных поступают следующие суммы (жирным шрифтом выделены вновь появившиеся коды):Thus, after four cycles of the ADC readout, the difference between the first and third codes V is recorded in the fifth register 13_one= u_eleven-u₁₃, and in the seventh register 15 the difference of the second and fourth codes W_one= u₁₂-u_fourteen.With the beginning of the second period, the registers from the first to the fourth gradually update their values, namely: first, in the first register, instead of the code u_eleven u code appears₂₁, then in the second instead of the code u₁₂ u code appears₂₂, and so on. With each new cycle, codes from the fifth and seventh registers are moved to the sixth and eighth registers, respectively. The output codes of the fifth and sixth registers are summed by the first adder and fed to the data collection and processing facility in the form of a report of the coherent component of the difference frequency. Also, the output codes of the seventh and eighth registers are summed by the second adder 20 and fed to the data collection and processing means in the form of a reference of the quadrature component of the difference frequency. The data in each of the registers from the first to the fourth is updated once in four clock cycles. Therefore, updating the result of summation at the outputs of the subtractors 17 and 18 is carried out once in two clock cycles: first, by changing the data on one of the registers, which issues its codes to one of the inputs of this subtractor, then by changing the codes on the other register, and so on . Therefore, in the fifth and seventh registers, codes are updated once in two cycles. These codes move from the fifth register to the sixth, and from the seventh to the eighth. Since the adders summarize the codes of the fifth and sixth register and the codes of the seventh and eighth registers, the following amounts are received by the data collection and processing facility (the newly appeared codes are marked in bold):

Пока коды от АЦП в регистры не занесены на выходах регистров могут быть, например, нулевые значения, как показано в соотношениях (4)-(7). Как видим, начиная с пятого отчета, соотношение (7), вместо нулей появляются необходимые коды, поэтому все суммы подсчитываются с использованием кодов, которые к этому времени уже получены в результате работы АЦП. Следовательно, после пяти циклов работы АЦП уже получается первый отсчет когерентной и квадратурной компонент сигнала разностной частоты.While the codes from the ADC are not entered into the registers at the outputs of the registers, for example, there may be zero values, as shown in relations (4) - (7). As you can see, starting from the fifth report, relation (7), instead of zeros, the necessary codes appear, therefore, all amounts are calculated using codes that by this time have already been received as a result of the ADC. Therefore, after five cycles of the ADC, the first count of the coherent and quadrature components of the difference frequency signal is already obtained.

Поясним, почему соотношения (4)-(11) могут быть использованы для вычисления когерентной и квадратурной компонент. Для этого воспользуемся эпюрой сигналов, показанной на фиг. 3. Сигнал 21 представляет собой гармонический сигнал, поступающий на вход АЦП 2. Там же показаны отсчеты значений этого сигнала, получаемые четыре раза на один период. Для ясности каждый отсчет пронумеруем следующим образом: первые четыре отсчета имеют первым индексом единицу, второй индекс меняется от одного до четырех: u₁₁, u₁₂, u₁₃, u₁₄. Следующие четыре отсчета будут отличаться тем, что первый индекс равен двум, и так далее: u₂₁, u₂₂, u₂₃, u₂₄. Получаемые отсчеты соответствуют значению синуса разностной частоты Δω=ω₁-ω₀/4, при этом фаза каждого последующего отсчета увеличивается на четверть периода, то есть на 90 градусов. Вследствие того, что сдвиг фазы на 180 градусов эквивалентен инвертированию сигнала, разница двух отсчетов, отстоящих на половину периода, равна удвоенному значению отсчета когерентной компоненты, взятого с наименьшим сдвигом и со знаком плюс. То есть u₁₁-u₁₃≈2V. При этом точное время привязки этого значения соответствует середине между временами взятия отсчета u₁₁ и u₁₃, что следует из линейной интерполяции предположительного изменения сигнала разностной частоты. Для указанной пары это время соответствует времени получения отсчета u₁₂ Если теперь вычислить сумму двух таких последовательных разностей, то получим учетверенное значение сигнала разностной частоты: (u₁₁-u₁₃)+(u₁₃-u₂₁)≈4V, причем эта сумма будет привязана по времени к середине отрезка между соответствующими временами этих отсчетов, то есть в данном случае - к моменту взятия отсчета U₁₃. Это является обоснованием для вычисления когерентной компоненты V₁. Чтобы получить значение отсчета квадратурной компоненты W сигнала разностной частоты, следует осуществить вычитание четных отсчетов u₁₂-u₁₄≈2W. Этот результат привязан ко времени взятия отсчета u₁₃. Поэтому для получения квадратурной компоненты для этого момента времени с таким же коэффициентом, равным четырем, достаточно просто удвоить этот результат. Это является обоснованием для вычисления когерентной компоненты W₁. Приведенными рассуждениями обосновывается соотношение (8). Далее можно осуществить сдвиг на один отсчет влево (по времени вперед) и повторить те же рассуждения, при этом когерентная и квадратурная компоненты поменяются местами, то есть когерентная компонента будет вычисляться из двух отсчетов удвоением разницы, а квадратурная компонента - из трех отсчетом суммированием двух разностей. Для наглядной иллюстрации на фиг. 3 наряду с сигналом 21 показаны результаты обработки этого сигнала, а именно: сигнал 22 - это последовательность разностей четных и нечетных пар сигнала 21, а сигнал 22 - это результат вычисления двойных сумм и удвоенных разностей. Пунктирными стрелками показано, какие отсчеты сигнала 21 дают результат в сигнале 22 и далее в сигнале 23.Let us explain why relations (4) - (11) can be used to calculate the coherent and quadrature components. For this, we use the signal diagram shown in FIG. 3. The signal 21 is a harmonic signal supplied to the input of the ADC 2. The samples of the values of this signal obtained four times for one period are also shown there. For clarity, we enumerate each sample as follows: the first four samples have the first index one, the second index changes from one to four: u ₁₁ , u ₁₂ , u ₁₃ , u ₁₄ . The following four counts will differ in that the first index is two, and so on: u ₂₁ , u ₂₂ , u ₂₃ , u ₂₄ . The resulting samples correspond to the sine value of the frequency difference Δω = ω ₁ -ω _0/4, the phase of each subsequent frame is increased by a quarter period, i.e. 90 degrees. Due to the fact that the phase shift of 180 degrees is equivalent to inverting the signal, the difference between two samples spaced half the period is twice the value of the coherent component sample taken with the smallest shift and with a plus sign. That is, u ₁₁ -u ₁₃ ≈2V. Moreover, the exact binding time of this value corresponds to the middle between the sampling times u ₁₁ and u ₁₃ , which follows from linear interpolation of the assumed change in the difference frequency signal. For the indicated pair, this time corresponds to the time taken to obtain the reference u ₁₂ If we now calculate the sum of two such successive differences, we obtain the quadruple value of the difference frequency signal: (u ₁₁ -u ₁₃ ) + (u ₁₃ -u ₂₁ ) ≈4V, and this sum will be tied in time to the middle of the interval between the corresponding times of these samples, that is, in this case, to the moment of taking the sample U ₁₃ . This is the rationale for calculating the coherent component V ₁ . To obtain the value of the reference quadrature component W of the signal of the difference frequency, subtract the even samples u ₁₂ -u ₁₄ ≈2W. This result is tied to sampling time u ₁₃ . Therefore, to obtain the quadrature component for this moment in time with the same coefficient equal to four, it is enough to simply double this result. This is the rationale for calculating the coherent component of W ₁ . The above reasoning justifies relation (8). Then you can shift one sample to the left (forward time) and repeat the same reasoning, while the coherent and quadrature components will be interchanged, that is, the coherent component will be calculated from two samples by doubling the difference, and the quadrature component from three samples by adding the two differences . For illustrative purposes, see FIG. 3 along with signal 21 shows the results of processing this signal, namely: signal 22 is the sequence of differences of even and odd pairs of signal 21, and signal 22 is the result of calculating double sums and doubled differences. The dashed arrows show which samples of signal 21 give a result in signal 22 and further in signal 23.

В итоге каждый канал обработки данных позволяет получить первый отсчет когерентной и квадратурной компонент сигналов разностной частоты, привязанных к одному и тому же времени, после получения пятого отсчета АЦП 2. Далее новая пара сигналов получается с каждым новым значением отсчета сигнала АЦП 2. Поэтому рассмотренный предлагаемый фазометр с гетеродинным преобразованием частоты позволяет получить отсчеты разностной частоты с задержкой только на пять четвертых периода входной частоты ω₁. В сравнении с прототипом это является повышением быстродействия, поскольку прототип позволяет получить отсчеты с задержкой на два целых периода этой входной частоты.As a result, each data processing channel allows you to get the first sample of the coherent and quadrature components of the difference frequency signals, tied to the same time, after receiving the fifth sample of the ADC 2. Next, a new pair of signals is obtained with each new value of the sample signal of the ADC 2. Therefore, the proposed a phase meter with a heterodyne frequency conversion allows you to get samples of the differential frequency with a delay of only five fourth periods of the input frequency ω ₁ . In comparison with the prototype, this is an increase in speed, since the prototype allows you to get samples with a delay of two whole periods of this input frequency.

Повышение быстродействия достигается тем, что в предлагаемых каналах обработки сигналов получение первого отсчета фазы осуществляется в результате получения не восьми, а только лишь пяти отсчетов АЦП. Поэтому время, требуемое на вычисление разности фаз, меньше на три восьмых, то есть на 37,5%.The increase in speed is achieved by the fact that in the proposed signal processing channels, the first phase reference is obtained as a result of receiving not eight, but only five ADC samples. Therefore, the time required to calculate the phase difference is less than three-eighths, that is, 37.5%.

Таким образом, предлагаемое изобретение решает задачу повышения быстродействия.Thus, the present invention solves the problem of improving performance.

Все устройство может быть полностью реализовано на сигнальном процессоре, например, на процессоре фирмы Altera [NCO MegaCore Function. User Guide. http://www.altera.corn/literature/ug/ug_nco.pdf], использующим АЦП типа ADC6645, имеющим 14 разрядов и работающим на тактовой частоте 100 МГц. Средством сбора и обработки данных может служить, например, микроконтроллер или сигнальный процессор, содержащий решающее устройство (процессор), оперативную память (для хранения данных и результатов) и постоянную память (для хранения программ и констант) в стандартной конфигурации. Сумматоры, вычитатели и регистры могут быть, например, реализованы на цифровых микросхемах или на специальном контроллере. Эта процедура также может быть выполнена программно.The entire device can be fully implemented on the signal processor, for example, on the processor company Altera [NCO MegaCore Function. User Guide http: //www.altera.corn/literature/ug/ug_nco.pdf] using an ADC type ADC6645, having 14 bits and operating at a clock frequency of 100 MHz. A means of collecting and processing data can be, for example, a microcontroller or signal processor containing a solver (processor), random access memory (for storing data and results) and read-only memory (for storing programs and constants) in a standard configuration. Adders, subtracters and registers can, for example, be implemented on digital microcircuits or on a special controller. This procedure can also be performed programmatically.

Такое выполнение фазометра обеспечивает повышение его быстродействия.This embodiment of the phase meter provides an increase in its speed.

Claims

Phase meter, including: two-channel heterodyne converter, two analog-to-digital converters, two signal processing channels, time-consuming means, data collection and processing means; in this case, the two inputs of the heterodyne converter are the inputs of the device, each of the two outputs of the heterodyne converter is connected through the corresponding analog-to-digital converter to the input of the corresponding signal processing channel, each signal processing channel is connected by both outputs to the inputs of the data acquisition and processing means, the timing device is connected by its output with clock inputs of both analog-to-digital converters, as well as clock inputs of both signal processing channels and clock input home data collection and processing means; each data processing channel contains eight registers, the fifth register output is connected to the sixth register input in each channel, the seventh register output is connected to the eighth register input, the clock input of each signal processing channel is connected to the clock inputs of all registers, characterized in that in each processing channel The signals are entered by a switch, two subtractors and two adders, the switch input being the input of the signal processing channel, its four outputs connected to the first four registers, and the outputs of the first the third registers are connected to the inputs of the first subtractor, the outputs of the second and fourth registers are connected to the inputs of the second subtractor, the outputs of the first and second subtracters are connected respectively to the inputs of the fifth and seventh registers, the outputs of the fifth and sixth registers are connected to the inputs of the first adder, and the outputs of the seventh and eighth registers connected to the inputs of the second adder, the outputs of the adders are the outputs of the signal processing channels.