RU213615U1

RU213615U1 - Switching converter of phase shifts

Info

Publication number: RU213615U1
Application number: RU2022118734U
Authority: RU
Inventors: Николай Маркович Богатов; Леонтий Рустемович Григорьян
Filing date: 2022-07-08
Publication date: 2022-09-19

Abstract

Полезная модель относится к радиоизмерительной технике и может быть использована при построении фазоизмерительной аппаратуры в широком диапазоне частот без предварительной установки нуля.The utility model relates to radio measuring equipment and can be used in the construction of phase measuring equipment in a wide frequency range without preliminary zeroing.

Для повышения точности и стабильности преобразования фазовых сдвигов, коммутационный преобразователь фазовых сдвигов, содержащий переключатель в одном из каналов с сигнальными входами по двум каналам, генератор коммутационных импульсов, подсоединенный к переключателю, программируемый фазовращатель, подключенный к выходу переключателя, усилители-ограничители в обоих каналах, два триггера, выходы которых подключены к двум схемам «И», причем один выход к схеме «И» одного канала, а другой - к схеме «И» второго канала преобразователя, выходы вышеуказанных схем соединены с выходной схемой «ИЛИ», а также элементы синхронизации, включающие первую и вторую двухвходовые схемы «ИЛИ», первую, вторую, третью и четвертую двухвходовые схемы «И» и микроконтроллер, имеющий пять управляющих выходов и два сигнальных входа, один из которых подключен к прямому выходу усилителя-ограничителя измерительного канала и к одному из входов первой схемы «И», а другой сигнальный вход микроконтроллера подключен к прямому выходу усилителя-ограничителя опорного канала и к одному из входов второй схемы «И», а пять управляющих выходов микроконтроллера подключены соответственно к программируемому входу фазовращателя и к входам первой, третьей, четвертой и второй схем «И», при этом один из входов третьей схемы «И» подключен к инверсному выходу усилителя-ограничителя измерительного канала, а вход четвертой схемы «И» - к инверсному выходу усилителя-ограничителя опорного канала, выходы упомянутых первой и третьей схем «И» через схему «ИЛИ» подключены к счетному входу триггера измерительного канала, а выходы второй и четвертой схемы «И» через вторую схему «ИЛИ» - к счетному входу триггера опорного канала, дополнен блоком токовой линеаризации широтно-модулированных импульсов, состоящий из временного селектора, подключенного к выходной схеме «ИЛИ», источника тока, вход которого соединен с выходом временного селектора, а выход - с накопительным конденсатором и мультиплексором, подключенных к общей шине преобразователя, а также с сигнальным входом АЦП, выход которого соединен с третьим сигнальным входом микроконтроллера, шестой и седьмой дополнительные выходы которого подключены соответственно к управляющим входам мультиплексора и АЦП. 2 ил.

To improve the accuracy and stability of phase shift conversion, a switching phase shift converter containing a switch in one of the channels with signal inputs on two channels, a switching pulse generator connected to the switch, a programmable phase shifter connected to the switch output, limiting amplifiers in both channels, two flip-flops, the outputs of which are connected to two "AND" circuits, with one output to the "AND" circuit of one channel, and the other to the "AND" circuit of the second converter channel, the outputs of the above circuits are connected to the "OR" output circuit, as well as elements synchronization, including the first and second two-input "OR" circuits, the first, second, third and fourth two-input "AND" circuits and a microcontroller with five control outputs and two signal inputs, one of which is connected to the direct output of the measuring channel limiting amplifier and to one of the inputs of the first "AND" circuit, and the other signal input of the microcontroller is connected to the my output of the reference channel limiting amplifier and to one of the inputs of the second "AND" circuit, and five control outputs of the microcontroller are connected respectively to the programmable input of the phase shifter and to the inputs of the first, third, fourth and second "AND" circuits, while one of the inputs of the third circuit "AND" is connected to the inverse output of the amplifier-limiter of the measuring channel, and the input of the fourth circuit "AND" - to the inverse output of the amplifier-limiter of the reference channel, the outputs of the mentioned first and third circuits "AND" through the circuit "OR" connected to the counting input of the trigger of the measuring channel, and the outputs of the second and fourth "AND" circuits through the second "OR" circuit - to the counting input of the trigger of the reference channel, supplemented by a current linearization unit for pulse-width modulated pulses, consisting of a time selector connected to the output "OR" circuit, a current source , the input of which is connected to the output of the time selector, and the output is connected to a storage capacitor and a multiplexer connected to a common bus of the converter the caller, as well as with the signal input of the ADC, the output of which is connected to the third signal input of the microcontroller, the sixth and seventh additional outputs of which are connected, respectively, to the control inputs of the multiplexer and the ADC. 2 ill.

Description

Известен фазовый преобразователь, состоящий из управляемого переключателя, генератора коммутационных импульсов, двух усилителей-ограничителей, ключевого фазового детектора и фильтра нижних частот. Достоинством данного фазового преобразователя является исключение влияния неинформативных параметров (амплитуда и частота) испытательного сигнала на точность выделения и преобразования информативного фазового параметра сравниваемых сигналов [Скрипник Ю.А. Повышение точности измерительных устройств. Киев: Изд. «Техника», 1976, с. 264].Known phase converter, consisting of a controlled switch, a switching pulse generator, two limiting amplifiers, a key phase detector and a low-pass filter. The advantage of this phase converter is the exclusion of the influence of non-informative parameters (amplitude and frequency) of the test signal on the accuracy of the selection and conversion of the informative phase parameter of the compared signals [Skripnik Yu.A. Improving the accuracy of measuring devices. Kyiv: Ed. "Technique", 1976, p. 264].

Недостатком данного устройства является ограниченность характеристики преобразования в пределах полупериода фазового сдвига. The disadvantage of this device is the limited characteristics of the transformation within the half-cycle of the phase shift.

Этот недостаток устранен в коммутационном преобразователе, в котором использование триггерных делителей частоты позволило расширить пределы характеристики преобразования до . [а.с. №655986 СССР, МПК G01R 25/00].This shortcoming is eliminated in a switching converter, in which the use of trigger frequency dividers made it possible to expand the limits of the conversion characteristic to . [a.s. No. 655986 USSR, IPC G01R 25/00].

Однако, техническое решение, используемое в данном преобразователе, обладает существенным недостатком, так как реализовано на ключевых и триггерных элементах, неидентичность характеристик которых в двухканальной схеме преобразователя приводит к существенным фазовым флюктуациям его выходного сигнала.However, the technical solution used in this converter has a significant drawback, since it is implemented on key and trigger elements, the non-identity of the characteristics of which in a two-channel converter circuit leads to significant phase fluctuations of its output signal.

Известен коммутационный фазовый преобразователь, выполненный на основе потенциальных элементов (схем совпадения) и цифрового синхронизирующего элемента, на основе микроконтроллера, в котором эти недостатки устранены [патент № 2745700 РФ, МПК G01R 35/00 (2020.08)].A switching phase converter is known, made on the basis of potential elements (coincidence circuits) and a digital synchronizing element, based on a microcontroller, in which these shortcomings are eliminated [patent No. 2745700 of the Russian Federation, IPC G01R 35/00 (2020.08)].

Недостатком данного устройства, является сложность обработки выходных импульсов схемы «ИЛИ» в полупериод коммутации прохождения опорного сигнала

через измерительный канал, так как длительность выходных импульсов схемы «ИЛИ» в этот полупериод коммутации минимальна и определяется только фазовой неидентичностью измерительного и опорного каналов. Обработка таких импульсов при любом способе интегрирования затруднена.The disadvantage of this device is the complexity of processing the output pulses of the "OR" circuit in the half-cycle of switching the passage of the reference signal

through the measuring channel, since the duration of the output pulses of the "OR" circuit in this half-cycle of switching is minimal and is determined only by the phase non-identity of the measuring and reference channels. The processing of such pulses with any integration method is difficult.

В коммутационном фазовом преобразователе, выбранном в качестве прототипа, [патент №209566 РФ, МПК G01R 35/00 (2021.01)] для устранения выше указанного недостатка предложено использовать программируемый микроконтроллером фазовращатель, подключенный между выходом переключателя и входом усилителя-ограничителя измерительного канала. Недостатком данного устройства является влияние переходных процессов при воздействии на фильтр нижних частот выходных широтно-модулированных импульсов коммутационного фазового преобразователя.In the switching phase converter, selected as a prototype, [patent No. 209566 of the Russian Federation, IPC G01R 35/00 (2021.01)] to eliminate the above drawback, it is proposed to use a phase shifter programmable by a microcontroller connected between the switch output and the input of the measuring channel limiting amplifier. The disadvantage of this device is the effect of transients when exposed to the low-pass filter output pulse-width modulated switching phase converter.

Задачей полезной модели является расширение арсенала коммутационной фазоизмерительной аппаратуры, свободной от указанных недостатков. The objective of the utility model is to expand the arsenal of switching phase-measuring equipment, free from these disadvantages.

Техническим результатом является повышение точности и быстродействия преобразования фазовых сдвигов.The technical result is to increase the accuracy and speed of the conversion of phase shifts.

Для достижения технического результата коммутационный преобразователь фазовых сдвигов, содержащий переключатель в одном из каналов с сигнальными входами по двум каналам, генератор коммутационных импульсов, подсоединенный к переключателю, программируемый фазовращатель, подключенный к выходу переключателя, усилители-ограничители в обоих каналах, два триггера, выходы которых подключены к двум схемам «И», причем один выход к схеме «И» одного канала, а другой - к схеме «И» второго канала преобразователя, выходы вышеуказанных схем соединены с выходной схемой «ИЛИ», а также элементы синхронизации, включающие первую и вторую двухвходовые схемы «ИЛИ», первую, вторую, третью и четвертую двухвходовые схемы «И» и микроконтроллер, имеющий пять управляющих выходов и два сигнальных входа, один из которых подключен к прямому выходу усилителя-ограничителя измерительного канала и к одному из входов первой схемы «И», а другой сигнальный вход микроконтроллера подключен к прямому выходу усилителя-ограничителя опорного канала и к одному из входов второй схемы «И», а пять управляющих выходов микроконтроллера подключены соответственно к программируемому входу фазовращателя и к входам первой, третьей, четвертой и второй схем «И», при этом один из входов третьей схемы «И» подключен к инверсному выходу усилителя-ограничителя измерительного канала, а вход четвертой схемы «И» к инверсному выходу усилителя-ограничителя опорного канала, выходы упомянутых первой и третьей схем «И» через схему «ИЛИ» подключены к счетному входу триггера измерительного канала, а выходы второй и четвертой схемы «И» через вторую схему «ИЛИ» к счетному входу триггера опорного канала, при этом предлагаемый преобразователь дополнен блоком токовой линеаризации широтно-модулированных импульсов, состоящий из временного селектора, подключенного к выходной схеме «ИЛИ», источника тока, вход которого соединен с выходом временного селектора, а выход с накопительным конденсатором и мультиплексором, подключенных к общей шине преобразователя, а также с сигнальным входом АЦП, выход которого соединен с третьим сигнальным входом микроконтроллера, шестой и седьмой дополнительные выходы которого подключены соответственно к управляющим входам мультиплексора и АЦП. To achieve the technical result, a switching phase shift converter, containing a switch in one of the channels with signal inputs on two channels, a switching pulse generator connected to the switch, a programmable phase shifter connected to the switch output, limiting amplifiers in both channels, two triggers, the outputs of which are connected to two "AND" circuits, with one output to the "AND" circuit of one channel, and the other to the "AND" circuit of the second converter channel, the outputs of the above circuits are connected to the "OR" output circuit, as well as synchronization elements, including the first and the second two-input "OR" circuits, the first, second, third and fourth two-input "AND" circuits and a microcontroller having five control outputs and two signal inputs, one of which is connected to the direct output of the measuring channel limiting amplifier and to one of the inputs of the first circuit "AND", and the other signal input of the microcontroller is connected to the direct output of the amplifier-limit of the reference channel and to one of the inputs of the second "AND" circuit, and five control outputs of the microcontroller are connected respectively to the programmable input of the phase shifter and to the inputs of the first, third, fourth and second "AND" circuits, while one of the inputs of the third "AND" circuit connected to the inverse output of the measuring channel limiting amplifier, and the input of the fourth circuit "AND" to the inverse output of the reference channel limiting amplifier, the outputs of the mentioned first and third "AND" circuits through the "OR" circuit are connected to the counting input of the measuring channel trigger, and the outputs the second and fourth "AND" circuits through the second "OR" circuit to the counting input of the trigger of the reference channel, while the proposed converter is supplemented with a current linearization unit for pulse-width modulated pulses, consisting of a time selector connected to the output "OR" circuit, a current source, an input which is connected to the output of the time selector, and the output with a storage capacitor and a multiplexer connected to a common bus converter The generator, as well as with the signal input of the ADC, the output of which is connected to the third signal input of the microcontroller, the sixth and seventh additional outputs of which are connected, respectively, to the control inputs of the multiplexer and the ADC.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого коммутационного преобразователя фазовых сдвигов, а на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие принцип действия блока токовой линеаризации широтно-модулированных импульсов.In FIG. 1 shows a block diagram of the proposed switching converter of phase shifts, and Fig. 2 - timing diagrams explaining the principle of operation of the current linearization block of width-modulated pulses.

Коммутационный преобразователь 1 состоит из управляемого переключателя 2, генератора коммутационных импульсов 3, двух усилителей-ограничителей 4 и 5, двух выходных триггеров 6 и 7, двух схем «И» 8 и 9, схемы «ИЛИ» 10, микроконтроллера 11, первой схемы «И» 12, второй схемы «И» 13, третьей схемы «И» 14, четвертой схемы «И» 15, двух двухвходовых схем «ИЛИ» 16 и 17, программируемого фазовращателя 18, временного селектора 19, источника тока 20, накопительного конденсатора 21, мультиплексора 22 и аналого-цифрового преобразователя 23.The switching converter 1 consists of a controlled switch 2, a switching pulse generator 3, two limiting amplifiers 4 and 5, two output triggers 6 and 7, two "AND" circuits 8 and 9, an "OR" circuit 10, a microcontroller 11, the first circuit " AND" 12, the second circuit "AND" 13, the third circuit "AND" 14, the fourth circuit "AND" 15, two two-input circuits "OR" 16 and 17, programmable phase shifter 18, time selector 19, current source 20, storage capacitor 21 , multiplexer 22 and analog-to-digital converter 23.

Принцип действия преобразователя 1 следующий. Предварительно обозначим назначение его элементов, определенным образом структурированных и определяющих измерительные процедуры преобразователя 1.The principle of operation of the converter 1 is as follows. Let us preliminarily designate the purpose of its elements, which are structured in a certain way and determine the measuring procedures of transducer 1.

Так, усилитель-ограничитель 4 совместно с первой 12 и третьей схемами «И» 14, а также со схемой «ИЛИ» 16, выходным триггером 6 и схемой «И» 8 составляют измерительный канал преобразователя 1. Соответственно усилитель-ограничитель 5 совместно со второй 13 и четвертой схемами «И» 15, а также со схемой «ИЛИ» 17, выходным триггером 7 и схемой «И» 9 составляют опорный канал преобразователя 1. Назначение программируемого фазовращателя 18 заключается в необходимости смещения «нулевой» точки преобразователи 1, примерно на 45°.Thus, the limiting amplifier 4, together with the first 12 and the third "AND" circuits 14, as well as the "OR" circuit 16, the output trigger 6 and the "AND" circuit 8, constitute the measuring channel of the converter 1. Accordingly, the limiting amplifier 5 together with the second 13 and the fourth "AND" circuit 15, as well as with the "OR" circuit 17, the output trigger 7 and the "AND" circuit 9 constitute the reference channel of the converter 1. The purpose of the programmable phase shifter 18 is to shift the "zero" point of the converters 1, approximately by 45°.

Отметим, что двухвходовые схемы «ИЛИ» 16 и 17, первая 12, вторая 13, третья 14 и четвертая 15 двухвходовые схемы «И», а также микроконтроллер 11 составляют элементы синхронизации коммутационного ключевого фазового детектора, обеспечивающие двухполярный режим работы преобразователя 1 с расширением его фазовой характеристики до .Note that the two-input "OR" circuits 16 and 17, the first 12, the second 13, the third 14 and the fourth 15 two-input "AND" circuits, as well as the microcontroller 11, constitute the synchronization elements of the switching key phase detector, providing a bipolar operation mode of the converter 1 with its expansion phase response up to .

Непосредственно, достижение технического результата обосновывается применением принципа токовой линеаризации широтно-модулированных выходных импульсов схемы «ИЛИ» 10 и осуществляется следующим образом. Данные импульсы через временной селектор 19 поступают на управляющий вход источника постоянного тока 20. Назначение временного селектора 19 заключается в формировании управляющих импульсов в моменты времени прохождения выходных импульсов схемы «ИЛИ» 10 и в паузы между ними. К выходу источника тока 20 подключен накопительный конденсатор

, выходное напряжение которого изменяется по линейному закону. При этом в один полутакт конденсатор заряжается до напряжения

, а во втором полутакте до напряжения

.Directly, the achievement of the technical result is justified by the application of the principle of current linearization of the width-modulated output pulses of the "OR" circuit 10 and is carried out as follows. These pulses through the time selector 19 are fed to the control input of the DC source 20. The purpose of the time selector 19 is to generate control pulses at the time of passage of the output pulses of the "OR" circuit 10 and in the pauses between them. A storage capacitor is connected to the output of the current source 20

, the output voltage of which varies linearly. In this case, in one half-cycle, the capacitor is charged to a voltage

, and in the second half-cycle to the voltage

.

Выходное напряжение конденсатора

преобразуется быстродействующим АЦП 23 в пропорциональное количество импульсов:

и

. С учетом, что

измеряемый фазовый сдвиг определяется из выражения:

.Capacitor output voltage

is converted by a high-speed ADC 23 into a proportional number of pulses:

and

. Considering that

the measured phase shift is determined from the expression:

.

Проведенный анализ токовой линеаризации широтно-модулированных импульсов позволяет сформулировать следующие отличительные особенности данного технического решения.The analysis of the current linearization of width-modulated pulses allows us to formulate the following distinctive features of this technical solution.

Во-первых, это быстродействие, так как, в отличие от метода низкочастотной фильтрации в данном устройстве отсутствуют переходные процессы, и минимальное время измерения не превышает длительности одного такта.Firstly, this is the speed, since, unlike the low-frequency filtering method, this device has no transients, and the minimum measurement time does not exceed the duration of one cycle.

Во-вторых, это одноканальность измерительного тракта, что полностью исключает аддитивные погрешности преобразования, а мультипликативная погрешность может быть оптимизирована при соответствующем выборе разрядности АЦП.Secondly, this is a single-channel measuring path, which completely eliminates additive conversion errors, and the multiplicative error can be optimized with an appropriate choice of ADC bit depth.

В-третьих, поскольку результат измерения фиксируется в каждом такте, то для достижения предельной точности измерения возможно применение метода статистического усреднения. Thirdly, since the measurement result is recorded in each cycle, it is possible to use the method of statistical averaging to achieve the ultimate measurement accuracy.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет решить поставленную техническую задачу, является новым, промышленно применимым, т.е. удовлетворяет критериям, предъявляемым к полезным моделям.Thus, the proposed technical solution allows to solve the set technical problem, is new, industrially applicable, i.e. satisfies the criteria for utility models.

Claims

Switching phase shift converter containing a switch in one of the channels with signal inputs on two channels, a switching pulse generator connected to the switch, a programmable phase shifter connected to the switch output, limiting amplifiers in both channels, two triggers, the outputs of which are connected to two circuits "AND", with one output to the "AND" circuit of one channel, and the other to the "AND" circuit of the second converter channel, the outputs of the above circuits are connected to the "OR" output circuit, as well as synchronization elements, including the first and second two-input circuits " OR", the first, second, third and fourth two-input "AND" circuits and a microcontroller having five control outputs and two signal inputs, one of which is connected to the direct output of the measuring channel limiting amplifier and to one of the inputs of the first "AND" circuit, and the other signal input of the microcontroller is connected to the direct output of the reference channel limiting amplifier and to one of the input ov of the second "AND" circuit, and five control outputs of the microcontroller are connected respectively to the programmable input of the phase shifter and to the inputs of the first, third, fourth and second "AND" circuits, while one of the inputs of the third "AND" circuit is connected to the inverse output of the limiting amplifier measuring channel, and the input of the fourth circuit "AND" - to the inverse output of the limiting amplifier of the reference channel, the outputs of the mentioned first and third circuits "AND" through the circuit "OR" connected to the counting input of the trigger of the measuring channel, and the outputs of the second and fourth circuits "AND » through the second circuit "OR" - to the counting input of the trigger of the reference channel, characterized in that the proposed converter is supplemented with a current linearization unit for pulse-width modulated pulses, consisting of a time selector connected to the output circuit "OR", a current source, the input of which is connected to the output of the time selector, and the output - with a storage capacitor and a multiplexer connected to the common bus of the converter, as well as with the signal input of the ADC, the output of which is connected to the third signal input of the microcontroller, the sixth and seventh additional outputs of which are connected respectively to the control inputs of the multiplexer and the ADC.