Opublikowano: 6JX.1969 58065 KI. 21 e 9 jP*t Ul* MKP GOI r UKD Twórca wynalazku: mgr inz. Mieczyslaw Krzyzagórski Wlasciciel patentu: Przemyslowy Instytut Telekomunikacji, Warszawa (Polska) Sposób pomiaru kata przesuniecia fazowego z odczytem cyfrowym wyniku Przedmiotem wynalazku jest sposób pomiaru ka¬ ta przesuniecia fazowego z bezposrednim, cyfro¬ wym odczytem wyniku. Moze on byc zastosowany zarówno w ukladach pracujacych na okreslonych czestotliwosciach, jak na przyklad w fazowych 5 urzadzeniach radionawigacyjnych, jak równiez w zwyklych miernikach fazy, gdzie wymagane jest przeprowadzanie pomiaru w pasmie czestotliwosci.Wiadomo, ze wykonanie pomiaru kata przesunie¬ cia fazowego jest tym trudniejsze, im wyzsza jest 10 czestotliwosc przebiegów badanych. Znany jest sposób wykorzystujacy czestotliwosc róznicowa uzyskiwana z przemiany czestotliwosci. Umozliwia on nie tylko przesuniecie mierzonych czestotliwo¬ sci w zakres nizszych wartosci, ale równiez — w 15 razie potrzeby — utrzymanie tych czestotliwosci na stalej wartosci przez odpowiednie przestrajanie generatora, dzieki czemu pomiary przeprowadzane w pasmie, sa sprowadzane do pomiarów przy je¬ dnej, nizszej wartosci czestotliwosci.Znane jest takze wykorzystanie do pomiaru kata przesuniecia fazowego nie tylko czestotliwosci róz¬ nicowej miedzy przebiegami badanymi i przebie¬ gami generatora pomocniczego, ale równiez cze- WQ = stotliwosci róznicowej miedzy harmonicznymi prze- 25 biegów badanych i generatora. Stosowanie wyz¬ szych czestotliwosci harmonicznych, ulatwia po¬ miar malych wartosci kata przesuniecia fazowego oraz zwieksza jego dokladnosc. Rzeczywiscie, je¬ zeli przesuniecie fazowe miedzy przebiegami ba- 30 20 danymi wynosi, np. ipQ, to przesuniecie fazowe wy¬ stepujace w n-tej harmonicznej wynosi ipQ' = Wartosc kata przesuniecia fazowego y0 miedzy przebiegami badanymi mozna w tym przypadku okreslic na podstawie pomiaru róznicy fazy w V'o _ ^"o n-tej harmonicznej, mianowicie WQ= * Jednak dla pewnego wskaznika powielenia n oraz od pewinej wartosci mierzonego kata przesuniecia fazowego ipQ, róznica fazy miedzy przebiegami w n-tej harmonicznej, moze przekroczyc wartosc 360°, lub jej wielokrotnosc. Wówczas: VV = n-^o = q-360°+ y0» gdzie q — jest liczba naturalna, a y)Q" — Jest war¬ toscia róznicy fazy, wystepujaca w n-tej harmo¬ nicznej. W tym przypadku poszukiwana wartosc kata przesuniecia fazowego miedzy przebiegami badanymi: q w" w' uj" 3,60o+ —= ° * —, dla q *= 0. n n n Jak z powyzszego widac, informacja o mierzonym przesunieciu fazowym zawarta w n-tej harmonicz¬ nej jest niepelna, a sposób, w -którym wykorzy¬ stuje sie do pomiaru tylko te n-ta czestotliwosc harmoniczna, jest w ogólnym przypadku bledny. 58 06558 065 Poprawne, jednoznaczne i dokladne okreslenie wartosci y0 mozna uzyskac albo przez wstepny, ale jednoznaczny pomiar kata przesuniecia fazo¬ wego miernikiem mniej dokladnym, a nastepnie dopiero miernikiem niejednoznacznym ale precy¬ zyjnym, albo tez przez wykorzystanie w pomiarze pelnej informacji zawartej we wszystkich czesto¬ tliwosciach harmonicznych, do przebiegu podsta¬ wowego wlacznie.Pierwszy sposób wymaga jednak stosowania dwóch mierników fazy, drugi natomiast jest sto¬ sowany obecnie tylko w pomiarach metoda krzy¬ wych Lissajou. Latwo jest zauwazyc, ze zaden z tych sposobów pomiaru, nie daje na wyjsciu wy¬ godnej do odczytu informacji o wartosci mierzo¬ nej róznicy fazy, wystepujacej miedzy przebiega¬ mi badanymi.Sposófi pomiaru kata przesuniecia fazowego we¬ dlug wynalazku rozwiazuje jednoznacznie problem poprawnosci pomiaru dowolnej wartosci mierzo¬ nej (0° — 360°) przez wykorzystanie w pomiarze pelnej informacji zawartej we wszystkich harmo¬ nicznych przebiegów sinusoidalnych dudnien.Istota wynalazku polega na wytworzeniu z prze¬ biegów badanych podawanych na wejscie ukladu dwu ciagów harmonicznych par czestotliwosci, które po zdudnieniu w ukladach nieliniowych po¬ szczególnych bitów, daja dwa ciagi o tych samych harmonicznych czestotliwosciach dudnien, miedzy którymi przeprowadza sie w kazdym bicie binarne wazenie róznicy fazy od 0° do 180° oraz od 180° do 360°, przyporzadkowujac pierwszemu prze¬ dzialowi logiczne „0", a drugiemu logiczne „1", przy tym jeden bit informacji stanowi kazda wie¬ lokrotnosc dwu dudnien o tych samych czestotli¬ wosciach, uzyskiwanych w dwu oddzielnych kana¬ lach. Ciagi harmonicznych czestotliwosci dudnien dla uzyskania jednoznacznego pomiaru, sa wy¬ twarzane w kazdym kanale od wartosci najnizszej do wartosci najwyzszej.Dla precyzyjnego ustawienia szpilek na osi cza¬ su (kata), wlacza sie miedzy kazdymi dwiema sa¬ siednimi wielokrotnosciami, w obu kanalach, ukla¬ dy automatycznego sterowania progów, przy któ¬ rych sa wytwarzane szpilki, przy czym sterowanie to przeprowadza sie od najwyzszej czestotliwosci dudnien do najnizszej. Kombinacja stanów logicz¬ nych (zer i jedynek) wszystkich bitów jest zalez¬ na od wartosci mierzonej róznicy fazy. Okresla ona liczbe najwezszych pasów lp przedzialów 180- -cio stopniowych najwyzszego bitu, mieszczacych sie w mierzonej róznicy fazy. Znajac szerokosc pasa najwezszego (w stopniach), wyrazonego w skali przebiegu podstawowego oraz liczbe pasów najwezszych, mieszczacych sie w mierzonej rózni¬ cy fazy, latwo okreslic wartosc poszukiwanego przesuniecia fazowego w stopniach, przez zwykle mnozenie.Koncepcja wynalazku jest uwidoczniona na ry¬ sunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat blo¬ kowy ukladu, fig. 2 — zasade tworzenia i nume¬ rowania pasów najwezszych na podstawie stanów logicznych wyjsc poszczególnych bitów, fig. 3 — przykladowe wartosci liczbowe.Uklad posiada dwa oddzielne wejscia (kanaly), na które sa podawane przebiegi badane. Moga to byc dwa przebiegi sinusoidalne o jednakowych czesto¬ tliwosciach (zwykly pomiar fazy), dwa przebiegi si¬ nusoidalne o róznych czejsfotliwosciach (system niw. 5 perboliczny Decca), lub dwie pary czestotliwosci (system hiperboliczny Rana). Zadaniem ukladów wejsciowych WE jest przez okreslone przeksztal¬ canie przebiegów badanych (mnozenie, dzielenie i przesuwanie czestotliwosci), przygotowac je do io dalszej obróbki juz w ukladach stalych, nieprze- strajalnych. Na wyjsciu ukladów wejsciowych WE powinno sie otrzymywac niezaleznie od przebie¬ gów wejsciowych dwie pary przebiegów, które po zwielokrotnieniu w powielaczach PWn (n = l,2,... !5 N), mozna zapisac w ogólnej posflaci nastepujaco: an = An • sin2n • (coat + aa) bn = Bn • sin2n • (cob • t + ab) ' 20 35 50 cn = Cn • s;i'n2n • (coct + aQ) en = En • sin2n • (coe • t + «e) gdzie: n = 0, 1, 2, N. 25 Kolejno otrzymywane w kazdym kanale pary wielokrotne, zdudnia sie w ukladach nieliniowych UN, które wydzielaja na wyjsciu odpowiednia wielokrotna czestotliwosc dudnieniowa.Ustawienie wyjsc poszczególnych bitów (Bx ...Blfc) w jeden z dwu wyróznionych stanów binar¬ nych, przeprowadza sie za pomoca impulsów szpil¬ kowych, otrzymywanych z ukladów wytwarzaja¬ cych szpilki UWS. W kazdej z dwu czestotliwosci dudnieniowych danego bitu, szpilki ustawia sie w punktach dodatnich i ujemnych przejsc sinusoidy przez izero, przy czym szpilki z drgan steruja bramke BR (dodatnie otwieraja, ujemne zamyka¬ ja; fig. 1 i fig. 2 linia ciagla), szpilki natomiast drugiego z drgan, przechodzac przez nia w momen- 40 cie jej otwarcia, steruja uklady wyjsciowe Bx ...Blb, np. przerzutniki Schimiitfa (impulsy dodatnie ustawiaja je w stan 0, impulsy ujemne w stan 1; fig. 1 i fig. 2 linia kropkowana).W przypadku zwyklego pomiaru róznicy fazy, 45 zachodzi równosc coa = coh = co; wówczas nalezy przyjac en = cn. W tym przypadku przebiegi du¬ dnieniowe w poszczególnych bitach (fiig. 1) beda: dna = Dna * QOS 2n ' l(<° ~^ + aa ~ aJ dnb = Dnb • c°s 2n * K®- "cH + "b- acl- Odejmujac kat fazowy przebiegu dnb od kata fazo¬ wego przebiegu dna, otrzymamy: Vn = 2n-(aa-«b) Róznica fazy dla n = 0, a wiec wartosc yjQ1 jest poszukiwana róznica fazy miedzy przebiegami ba- 60 danymi i wystepuje w pierwszym bicie. Moze ona przybierac wartosci od 0° do 360°. Zgodnie ze spo¬ sobem tworzenia Wartosci logicznych (fig. 2), pier¬ wszy bit (fig. 3, lb = 1', ,n = 0) przydziela mierzo¬ na róznice fazy do jednego z dwu przedzialów ka- 65 towych od 0° do 180° lub od 180° do 360°. Szero-5 kosc pasa rozrózniana w pierwszym bicie równa jest zatem AxpQ = 180 21 = 1) przydziela wystepujaca w nim róznice fa¬ zy do jednego z czterech (22 = 4) mozliwych prze¬ dzialów katowych, o szerokosci rozrózniania Atpx = 180° • 2-i = 90°. Trzeci bit Ub = 3, n = 2) rozróznia przedzialy (pasy) o szerokosci Aip2 = = 180° • 22 = 45°, których liczba wynosi 23 = 8.Ogólnie, dla dowolnego bitu lb (n = lb—1), mie¬ rzona róznice fazy mozna przydzielic do jednego z 2lb = 2n+! pasów o szerokosci: Atpn = 360° • 2-ib = 180° • 2-n Wartosci obliczone przy uzyciu tej zaleznosci sa przedstawione na fig. 3 (k = 1). Najmniejsza sze¬ rokosc pasa rozrózniania otrzymuje sie dla naj¬ wiekszej wartosci wskaznika n, czyli dla n = N.W przykladzie na fig. 2, kat przesuniecia fazowe¬ go miedzy przebiegami narysowanymi linia ciagla i przerywana (osie 0—0 oraz 0'—0'), okreslony jest przez stan „0" w bicie pierwszym Bv stan „1" w bicie B2, stan „1" w bicie B3 oraz stan „0" w bi¬ cie Blb.Kombinacja stanów logicznych poszczególnych bitów daje liczbe dwójkowa 011... 0, która zapi¬ sana w 'postaci liczby dziesietnej daje wartosc naturalna m; w danym kacie przesuniecia fazowe¬ go miesci sie wiec m pelnych pasów najwezszych.Wartosc mierzonej róznicy fazy wynosi zatem m• AipN°f z dokladnoscia równa szerokosci pasa najwezszego ^yN°- Jezeli szerokosc pasa najwezszego bedzie równa, np. 1°; 0,1°; 0,01° itd., wówczas dla otrzymania wartosci kata przesuniecia fazowego w stopniach, 1 staje sie zbedny problem dodatkowego mnozenia, poniewaz zagadnienie sprowadza sie do prawidlo¬ wego ustawienia przecinka. Zadane szerokosci pa¬ sów najwezszych AyN naozna uzyskac przez odpo¬ wiednie przeksztalcenie (mnozenie i dzielenie) przebiegów otrzymywanych na wyjsciu ukladów TWE. Otóz jezeli róznica ( Tala wartosci mieszczace sie w zakresie przedzia¬ lów: 0 przy czym 180° < ax < 360°, -wartosc k • (aa — ab) bedzie przybierac wartosci w przedzialach: 0 < k • (aa — at) < 180° lub 180° < k • (aa — at)< 360°, -wówczas dla (aa — ab) = ax wspólczynnik k = 180° • c^-i, dla (aa — . k = 360° • ax-i = 180° • c^-i.W swietle powyzszych rozwazan, szerokosci pa¬ sów rozrózniania mozna ogólnie wyrazic w posta¬ ci Axpn = «! * 2-n, co dla n = N daje: %N = «i" 2_n Poniewaz 180° < ax < 360°, wiec: 180° • %n-i < 2N < 360° • ^W1 $065 6 Przyjmujac zadana wartosc AyN9 mozna obliczyc liczbe naturalna N, a nastepnie ax oraz ostatecz¬ nie k. Wartosci Axpn dla AyN = 1° oraz 0,1° przed¬ stawiono na fig. 3 (k = 180 :256, k = 180° : 204,8).W celu zapewnienia jednoznacznego pomiaru kata przesuniecia fazowego, ciagi czestotliwosci dudnieniowych sa wytwarzane w kierunku od wartosci najnizszych do najwyzszych {fig. 1 oraz fig. 2). Dzieki temu mozna z pewna dokladnoscia wstepna sprowadzic w kazdym kanale fazy po¬ czatkowe (zerowe) wszystkich harmonicznych cze¬ stotliwosci dudnien do jednego punktu na osi cza¬ su (kata, fig. 2, osie 0—0 oraz 0*—0'). Rozwiazanie ukladu tylko w takiej postaci nie nadaje sie do praktycznego wykorzystania. Jezeli bowiem do¬ kladnosc polozenia wytwarzanych szpilek w pier¬ wszym bicie (lb = 1, n = 0, fig. 3) wyniesie ± 1°, to w lb^tym bicie wartosc kata bledu wyniesie ± 1°' • 2i*-i = ± 1° • 2n 20 Blad ten ograniczalby stosowanie malych szero¬ kosci pasów najwezszych AtpNt co dyskwalifiko¬ waloby sposób pomiaru. Dlatego w ukladzie sa za¬ stosowane uklady automatycznego sterowania pro- 25 S°w uASP, w których sa wytwarzane szpilki, przy czym sterowanie to przeprowadza sie w kierunku od czestotliwosci najwyzszej do czestotliwosci naj¬ nizszej. Przyjmuje sie wiec jako wzorcowe, polo¬ zenie szpilek wytworzonych przy najwyzszej cze- 30 stotliwosci dudnien. Jezeli teraz dokladnosc polo¬ zenia wytwarzanych szpilek «v lb-tym bicie wynosi ±1°, to dokladnosc ta w pierwszym bicie wyniesie ± 2-db-i) = ± 2-n, co np. dla n = 8 daje ± 0,0039°.Uzyskanie takiej precyzji mozna osiagnac przez 35 stosowanie przy czestotliwosciach najnizszych ukladów o szybkosci dzialania nie gorszej od szyb¬ kosci dzialania ukladów przy czestotliwosciach najwyzszych. W ten sposób jest rozwiazany w ukladzie problem jednoznacznego i poprawnego 40 pomiaru róznicy fazy z jednej strony oraz problem duzej dokladnosci — z drugiej strony. PL