RU2101715C1 - Phase meter for signals of high and ultrahigh frequency - Google Patents

Phase meter for signals of high and ultrahigh frequency Download PDF

Info

Publication number
RU2101715C1
RU2101715C1 RU95109170A RU95109170A RU2101715C1 RU 2101715 C1 RU2101715 C1 RU 2101715C1 RU 95109170 A RU95109170 A RU 95109170A RU 95109170 A RU95109170 A RU 95109170A RU 2101715 C1 RU2101715 C1 RU 2101715C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
phase
output
inputs
signals
input
Prior art date
Application number
RU95109170A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU95109170A (en
Inventor
В.Г. Журавлев
Original Assignee
Научно-исследовательский институт точных приборов
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Научно-исследовательский институт точных приборов filed Critical Научно-исследовательский институт точных приборов
Priority to RU95109170A priority Critical patent/RU2101715C1/en
Publication of RU95109170A publication Critical patent/RU95109170A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2101715C1 publication Critical patent/RU2101715C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Measuring Phase Differences (AREA)

Abstract

FIELD: instruments. SUBSTANCE: device has signal addition unit, envelope detector, processing unit, synchronization unit. Goal of invention is achieved by introduced second controlled digital phase shifter in addition to digital phase shifter which is present in state-of-the-art device. Different combinations of input controlled phase shifts corresponding to different voltage values at output of envelope detector are set in subsequent ticks of operation cycle. Their set is used by processing unit for generation of output value of phase meter. Vector combinations which are required for phase detection are generated serially and detected by same envelope detector. This results in possibility to suppress mismatch effects caused by two parallel detectors. EFFECT: increased precision of measurements. 2 tbl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерению фазового угла между электрическими напряжениями высокой или сверхвысокой частоты, в частности к фазометрам с управляемым фазовращателем на входе. The invention relates to the measurement of the phase angle between electrical voltages of high or ultra-high frequency, in particular to phase meters with a controlled phase shifter at the input.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является фазометр [1]
Известный фазометр содержит управляемый дискретный фазовращатель 0 - 90o, фазовый детектор, коммутатор, функциональный преобразователь и блок синхронизации. Результат измерения определяется путем арктангенсного преобразования величин двух напряжений с выхода фазового детектора, полученных и запомненных в двух последовательных тактах работы, соответствующих двум состояниям управляемого фазовращателя 0 и 90o.
The closest in technical essence to the claimed is a phase meter [1]
The known phase meter contains a controlled discrete phase shifter 0 - 90 o , phase detector, switch, functional converter and synchronization unit. The measurement result is determined by the arc tangent conversion of the two voltages from the output of the phase detector, obtained and stored in two consecutive clock cycles, corresponding to two states of the controlled phase shifter 0 and 90 o .

В известном фазометре фазовый детектор выполняется по балансной схеме, содержащей блок суммы разности, два детектора огибающей с квадратичными характеристиками и блок вычитания напряжений (или сложения напряжений при противоположной полярности включения детекторов). In the known phase meter, the phase detector is performed according to a balanced circuit comprising a difference sum block, two envelope detectors with quadratic characteristics, and a voltage subtraction unit (or voltage additions with the opposite polarity of the detectors switching on).

При любых нарушениях баланса в фазовом детекторе, например, из-за неидентичности или относительной нестабильности характеристик детекторов огибающей в известном фазометре возникают погрешности измерения. Для повышения чувствительности к уровню мощности входных сигналов в известном фазометре должно использоваться двухканальное усилительное устройство. Различие амплитудно-фазовых характеристик каналов усиления также приводит к погрешности измерения. For any imbalance in the phase detector, for example, due to the non-identity or relative instability of the characteristics of the envelope detectors in the known phase meter, measurement errors occur. To increase the sensitivity to the power level of the input signals in a known phase meter, a two-channel amplifier device should be used. The difference in the amplitude-phase characteristics of the gain channels also leads to measurement errors.

Технической задачей изобретения является повышение точности. An object of the invention is to increase accuracy.

Поставленная техническая задача решается тем, что в фазометр, содержащий блок синхронизации, функциональный преобразователь, выход которого является выходом фазометра, и подключенные к первому входу фазометра последовательно соединенные первый управляемый дискретный фазовращатель, вход которого по сигналу управления соединен с первым выходом блока синхронизации, блок сложения сигналов, усилительное устройство, детектор огибающей, введены включенный между вторым входом фазометра и вторым входом блока сложения сигналов второй управляемый дискретный фазовращатель, вход которого по сигналу управления соединен со вторым выходом блока синхронизации, первый и второй синхронные накопители, входы которых соединены с выходом детектора огибающей, выходы которых соединены с первым и вторым входами функционального преобразователя, и блок формирования квадратурных опорных сигналов, первый и второй входы которого соединены со входами соответственно первого и второго управляемых дискретных фазовращателей по сигналу управления, первый и второй выходы которого соединены со входами опорного сигнала первого и второго синхронных накопителей соответственно. The stated technical problem is solved in that in the phase meter containing the synchronization unit, a functional converter, the output of which is the output of the phase meter, and connected to the first input of the phase meter are connected in series to the first controlled discrete phase shifter, the input of which is connected to the first output of the synchronization unit by the control signal, the addition unit signals, an amplifying device, an envelope detector, inserted between the second input of the phase meter and the second input of the signal addition block of the second control a removable discrete phase shifter, the input of which is connected to the second output of the synchronization unit by a control signal, the first and second synchronous drives, the inputs of which are connected to the output of the envelope detector, the outputs of which are connected to the first and second inputs of the functional converter, and the block for generating quadrature reference signals, the first and the second inputs of which are connected to the inputs of the first and second controlled discrete phase shifters, respectively, by a control signal, the first and second outputs of which are connected to moves the first reference signal and the second synchronous drives respectively.

Работа предлагаемого фазометра поясняется блок-схемой и описанием принципа действия. The operation of the proposed phase meter is illustrated by a block diagram and a description of the principle of operation.

На блок-схеме обозначены 1 первый вход фазометра, 2 второй вход фазометра, 3 первый управляемый дискретный фазовращатель, 4 второй управляемый дискретный фазовращатель, 5 блок сложения сигналов, 6 - усилительное устройство, 7 детектор огибающей, 8 первый синхронный накопитель, 9 второй синхронный накопитель, 10 функциональный преобразователь, 11 блок формирования квадратурных опорных сигналов, 12 - блок синхронизации6 13 выход фазометра, 14 блок обработки. The block diagram shows 1 first phasemeter input, 2 second phasemeter input, 3 first controlled discrete phase shifter, 4 second controlled discrete phase shifter, 5 signal addition unit, 6 - amplifying device, 7 envelope detector, 8 first synchronous storage, 9 second synchronous storage , 10 functional converter, 11 block for generating quadrature reference signals, 12 — synchronization block 6 13 phase meter output, 14 processing block.

К первому входу фазометра 1 подключены последовательно соединенные первый управляемый дискретный фазовращатель 3, блок сложения сигналов 5, усилительное устройство 6, детектор огибающей 7. Между вторым входом фазометра 2 и вторым входом блока сложения сигналов 5 включен второй управляемый дискретный фазовращатель 4. Входы первого и второго синхронных накопителей 8, 9 подключены к выходу детектора огибающей 7, а их выходы подключены к первому и второму входам функционального преобразователя 10, выход которого является выходом устройства 13. Первый и второй выходы блока синхронизации 12 соединены соответственно со входами по сигналу управления первого и второго управляемых дискретных фазовращателей 3, 4 и с первым и вторым входами блока формирования квадратурных опорных сигналов 11. Входы опорного сигнала первого и второго синхронных накопителей 8, 9 соединены соответственно с первым и вторым входами блока 11. The first controlled discrete phase shifter 3, the signal addition unit 5, the amplification device 6, the envelope detector 7 are connected in series to the first input of the phase meter 1, and the second controlled discrete phase shifter 4 is connected between the second input of the phase meter 2 and the second input of the signal addition unit 5. Inputs of the first and second synchronous drives 8, 9 are connected to the output of the envelope detector 7, and their outputs are connected to the first and second inputs of the functional Converter 10, the output of which is the output of the device 13. Pe the second and second outputs of the synchronization unit 12 are connected respectively to the inputs of the control signal of the first and second controlled discrete phase shifters 3, 4 and to the first and second inputs of the block for generating quadrature reference signals 11. The inputs of the reference signal of the first and second synchronous drives 8, 9 are connected respectively to the first and second inputs of block 11.

Работа фазометра происходит циклами, состоящими из последовательных тактов. В каждом такте блок синхронизации 12 выдает определенную, отличную от других тактов, комбинацию целочисленных уставок n 0,1,2,3 и m 0,1,2,3, которые поступают на выходы по сигналам управления дискретных фазовращателей 3, 4 и входы блока формирования квадратурных опорных сигналов 11. Номинальные значения фазовых сдвигов, создаваемых управляемыми дискретными фазовращателями 3, 4, кратны π/2
γ1 = nπ/2; γ2 = mπ/2.
Изменение фазовых сдвигов γ1, γ2 вызывает изменение амплитуды сигнала на выходе блока сложения сигналов 5. Суммарный сигнал усиливается усилительным устройством 6 и детектируется по амплитуде детектором огибающей с квадратичной характеристикой 7.
The phasemeter operates in cycles consisting of successive clock cycles. In each cycle, the synchronization unit 12 provides a certain, different from other cycles, combination of integer settings n 0,1,2,3 and m 0,1,2,3, which are output from the control signals of discrete phase shifters 3, 4 and the inputs of the block formation of quadrature reference signals 11. Nominal values of phase shifts created by controlled discrete phase shifters 3, 4 are multiples of π / 2
γ 1 = nπ / 2; γ 2 = mπ / 2.
A change in the phase shifts γ 1 , γ 2 causes a change in the amplitude of the signal at the output of the signal addition unit 5. The total signal is amplified by an amplifying device 6 and amplitude-detected by an envelope detector with a quadratic characteristic 7.

Синхронные накопители 8 и 9 накапливают сигнал, поступающий с выхода детектора огибающей 7, за время цикла измерения с весами, определяемыми опорными сигнала Cn.m, Sn.m, поступающими из блока формирования квадратурных опорных сигналов 11. Опорные сигналы Cn.m, Sn.m, изменяются по трем дискретным уровням, соответствующим 1,0,-1. В блоке 11 обеспечивается однозначное соответствие между значениями целочисленных уставок n, m, поступающих на его входы, и уровнями опорных сигналов Cn.m, Sn.m, формируемых на его выходах, в соответствии с табл. 1а,б.Synchronous drives 8 and 9 accumulate the signal coming from the output of the envelope detector 7 during the measurement cycle with the weights determined by the reference signal C nm , S nm coming from the block for generating the quadrature reference signals 11. The reference signals C nm , S nm vary in three discrete levels corresponding to 1.0, -1. In block 11, an unambiguous correspondence is ensured between the values of the integer settings n, m supplied to its inputs and the levels of the reference signals C nm , S nm generated at its outputs, in accordance with Table 1a, b.

В общем случае квадратурные опорные сигналы Cn.m, Sn.m пропорциональны соответственно косинусу и синусу разности фазовых сдвигов γ1, γ2, создаваемых управляемыми дискретными фазовращателями.In the general case, the quadrature reference signals C nm , S nm are proportional, respectively, to the cosine and sine of the difference in phase shifts γ 1 , γ 2 generated by controlled discrete phase shifters.

Функциональный преобразователь 10 преобразует значения X, Y напряжений, поступающих на его входы от синхронных накопителей 8 и 9, в значение аргумента комплексного числа Z X + jY:

Figure 00000002

которое выдается на выход 13 фазометра как результат измерения разности фаз сигналов на входах 1, 2.Functional converter 10 converts the values of X, Y of the voltages supplied to its inputs from synchronous drives 8 and 9 into the value of the argument of the complex number ZX + jY:
Figure 00000002

which is issued to the output 13 of the phase meter as a result of measuring the phase difference of the signals at inputs 1, 2.

Принцип действия фазометра основан на использовании зависимости между амплитудой суммарного сигнала на выходе блока сложения сигналов 5 и разностью фаз сигналов на его входах, которая складывается из известной измеряемой величины φ разности фаз сигналов на входах фазометра 1, 2 и известной величины разности фазовых сдвигов g1, γ2, вносимых управляемыми дискретными фазовращателями. Эту зависимость можно представить формулой
A2 = a 2 1 +a 2 2 +2a1a2cos[φ+(γ12)] (1)
где A амплитуда суммарного сигнала;
a1, a2- амплитуды суммируемых сигналов;
γ1, γ2 фазовые сдвиги, вносимые управляемыми фазовращателями.
The principle of operation of the phase meter is based on using the relationship between the amplitude of the total signal at the output of the signal addition unit 5 and the phase difference of the signals at its inputs, which is composed of the known measured value φ of the phase difference of the signals at the inputs of the phase meter 1, 2 and the known value of the phase difference difference g 1 , γ 2 introduced by controlled discrete phase shifters. This dependence can be represented by the formula
A 2 = a 2 1 + a 2 2 + 2a 1 a 2 cos [φ + (γ 12 )] (1)
where A is the amplitude of the total signal;
a 1 , a 2 - amplitudes of the summed signals;
γ 1 , γ 2 phase shifts introduced by controlled phase shifters.

При наличии необходимого набора значений γ1, γ2 уравнения вида (1) образуют систему уравнений, которая может быть решена относительно неизвестной измеряемой величины φ Наиболее простые решения имеют место при использовании значений g1, γ2 кратных π/2 что и принято в предлагаемом устройстве.In the presence of the necessary set values of γ 1, γ 2 equations of the form (1) form a system of equations that can be solved for the unknown measured value φ most simple solutions occur when using the values g 1, γ 2 multiples of π / 2 that is accepted in the proposed device.

Векторные комбинации суммируемых сигналов, необходимые для реализации фазового детектирования, в предлагаемом фазометре формируются последовательно во времени. Суммарный сигнал усиливается одним и тем же усилителем и детектируется одним и тем же детектором огибающей, благодаря чему удается принципиально исключить эффекты разбаланса, присущие известным устройствам с двухканальным построением и повысить за счет этого точность измерения. Предполагается, что темп коммутации в предлагаемом устройстве достаточно высок для исключения динамических погрешностей измерения. Vector combinations of the summed signals necessary for the implementation of phase detection in the proposed phase meter are formed sequentially in time. The total signal is amplified by the same amplifier and detected by the same envelope detector, due to which it is possible to fundamentally eliminate the unbalance effects inherent in known devices with two-channel construction and thereby increase the measurement accuracy. It is assumed that the switching rate in the proposed device is high enough to exclude dynamic measurement errors.

Возможны различные варианты конкретной технической реализации предлагаемого устройства и входящих в него блоков. Например, возможен вариант организации квазинепрерывного режима работы фазометра с многократным повторением рабочих циклов за время измерения. В этом случае синхронные накопители 8, 9 должны иметь постоянную времени накопления, существенно превышающую время цикла коммутации. There are various options for a specific technical implementation of the proposed device and its constituent units. For example, it is possible to organize a quasi-continuous mode of operation of the phase meter with repeated repetition of duty cycles during the measurement. In this case, synchronous drives 8, 9 should have an accumulation time constant that is significantly longer than the switching cycle time.

Блок синхронизации 12 в простейшем варианте может быть выполнен в виде формирователя тактовых импульсов и двоичного счетчика. Выходы разрядов двоичного счетчика в некотором произвольно устанавливаемом порядке поодиночно соединены с управляющими входами разрядов дискретных фазовращателей. Возможны и другие варианты выполнения блока синхронизации 12 при условии обеспечения взаимной ортогональности и сбалансированности на два дискретных уровня формируемых им сигналов. The synchronization unit 12 in the simplest embodiment can be made in the form of a clock shaper and a binary counter. The outputs of the bits of the binary counter in some arbitrarily set order are connected one by one to the control inputs of the bits of the discrete phase shifters. There are other possible embodiments of the synchronization unit 12, provided that mutual orthogonality and balance are achieved on two discrete levels of the signals generated by it.

Количество используемых комбинаций дискретных состояний фазовращателей 3, 4 и соответствующее ему число тактов в рабочем цикле фазометра может быть различным в различных вариантах технической реализации. Минимально необходимое число комбинаций (тактов) равно 4. Наибольшая точность измерений достигается в балансном варианте фазометра с использованием всех 16 комбинаций дискретных сдвигов фазы, кратных π/2 создаваемых двумя двухразрядными фазовращателями, включенными по двум входам устройства. The number of combinations of discrete states of the phase shifters 3, 4 and the corresponding number of clock cycles in the working cycle of the phase meter can be different in different versions of the technical implementation. The minimum required number of combinations (cycles) is 4. The highest accuracy of measurements is achieved in the balanced version of the phase meter using all 16 combinations of discrete phase shifts that are multiples of π / 2 created by two two-bit phase shifters connected at two inputs of the device.

Блоки синхронных накопителей 8, 9, блок формирования квадратичных опорных сигналов 11, функциональный преобразователь 10 в совокупности представляют собой блок обработки 14 сигнала, поступающего с выхода детектора огибающей 7. Блок обработки, а также блок синхронизации 12 могут быть реализованы на базе цифрового микропроцессора. В этом случае по выходу детектора огибающей вводится аналого-цифровой преобразователь напряжение-код. Blocks of synchronous drives 8, 9, a unit for generating quadratic reference signals 11, a functional converter 10 in the aggregate are a processing unit 14 of the signal from the output of the envelope detector 7. The processing unit as well as the synchronization unit 12 can be implemented on the basis of a digital microprocessor. In this case, an analog-to-digital voltage-code converter is introduced at the output of the envelope detector.

Claims (1)

Фазометр сигналов высокой или сверхвысокой частоты, содержащий блок синхронизации, функциональный преобразователь, выход которого является выходом фазометра, и подключенные к первому входу фазометра, последовательно соединенные первый управляемый дискретный фазовращатель, вход которого по сигналу управления соединен с первым выходом блока синхронизации, блок сложения сигналов через первый вход, усилительное устройство, детектор огибающей, отличающийся тем, что в него введены включенный между вторым входом фазометра и вторым входом блока сложения сигналов второй управляемый дискретный фазовращатель, вход которого по сигналу управления соединен с вторым выходом блока синхронизации, первый и второй синхронные накопители, входы которых соединены с выходом детектора огибающей, выходы которых соединены с первым и вторым входами функционального преобразователя соответственно, и блок формирования квадратурных опорных сигналов, первый и второй входы которого соединены с входами соответственно первого и второго управляемых дискретных фазовращателей по сигналу управления, первый и второй выходы которого соединены с входами опорного сигнала первого и второго синхронных накопителей соответственно, при этом сигналы на выходах блока синхронизации представляют собой комбинации целочисленных уставок, сигналы на первом и втором выходах блока формирования квадратурных опорных сигналов пропорциональны соответственно косинусу и синусу разности фазовых сдвигов, создаваемых управляемыми дискретными фазовращателями, сигнал φ на выходе функционального преобразователя определяется из выражения
Figure 00000003

где X и Y сигналы на его первом и втором входах соответственно.
The phase meter of high or ultra-high frequency signals, comprising a synchronization unit, a functional converter whose output is the output of the phase meter, and connected to the first input of the phase meter, are connected in series to the first controlled discrete phase shifter, the input of which is connected to the first output of the synchronization unit by a control signal, the signal addition unit through the first input, an amplifying device, an envelope detector, characterized in that it is inserted between the second input of the phase meter and the second input signal addition unit, a second controlled discrete phase shifter, the input of which is connected to the second output of the synchronization block by a control signal, the first and second synchronous drives, the inputs of which are connected to the output of the envelope detector, the outputs of which are connected to the first and second inputs of the functional converter, respectively, and the quadrature generation unit reference signals, the first and second inputs of which are connected to the inputs of the first and second controlled discrete phase shifters, respectively, by a control signal the first and second outputs of which are connected to the inputs of the reference signal of the first and second synchronous drives, respectively, while the signals at the outputs of the synchronization block are combinations of integer settings, the signals at the first and second outputs of the block for generating quadrature reference signals are proportional to the cosine and sine of the phase difference, respectively of shifts created by controlled discrete phase shifters, the signal φ at the output of the functional converter is determined from the expression
Figure 00000003

where X and Y are the signals at its first and second inputs, respectively.
RU95109170A 1995-06-02 1995-06-02 Phase meter for signals of high and ultrahigh frequency RU2101715C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU95109170A RU2101715C1 (en) 1995-06-02 1995-06-02 Phase meter for signals of high and ultrahigh frequency

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU95109170A RU2101715C1 (en) 1995-06-02 1995-06-02 Phase meter for signals of high and ultrahigh frequency

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU95109170A RU95109170A (en) 1997-05-20
RU2101715C1 true RU2101715C1 (en) 1998-01-10

Family

ID=20168478

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU95109170A RU2101715C1 (en) 1995-06-02 1995-06-02 Phase meter for signals of high and ultrahigh frequency

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2101715C1 (en)

Also Published As

Publication number Publication date
RU95109170A (en) 1997-05-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2101715C1 (en) Phase meter for signals of high and ultrahigh frequency
RU2225012C2 (en) Phase-meter
RU2103698C1 (en) Device for measurement of harmonic signal phase shift
SU928239A1 (en) Differential commutation indicator with periodic comparison
RU2096828C1 (en) Method for detection of amplitude ratio of harmonic signals
RU2007736C1 (en) Device for determination of phase shift between two sine signals
RU2037833C1 (en) Device for measuring phase shifts of signals with known amplitude relations
RU208079U1 (en) CONTROLLED PHASE REFRACTOR
SU800965A1 (en) Frequency characteristic analyzer
RU1793392C (en) Reflectivity module and phase meter
SU611160A1 (en) Meter of group time delay of four-pole networks
RU2235336C1 (en) Uhf power measuring device
SU752208A1 (en) Magnetic field measuring device
RU2225988C2 (en) Phase-meter
RU2020494C1 (en) Device for measuring phase shift of two sinusoidal signals
JPH01167679A (en) Impedance measuring instrument
SU815654A1 (en) Device for measuring amplitude difference of two squared harmonic signals
SU920544A1 (en) Device for comparing harmonic signal amplitudes
SU1020775A1 (en) Electrical conductivity measuring device
SU712775A1 (en) Automatic meter of complex resistance components
SU725033A2 (en) Device for comparing amplitudes of two harmonic voltages
SU1054791A1 (en) Method of measuring phase shift
SU721756A1 (en) Digital voltmeter of ac voltage
SU815670A1 (en) Amplitude-phase periodic voltage harmonic analyzer
SU896579A1 (en) Two-channel meter of oscillation frequency fluctuations

Legal Events

Date Code Title Description
PC43 Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions

Effective date: 20100915