SU1368802A1 - Устройство дл измерени сдвига фаз - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к информационно-измерительной технике и позвол ет повысить точность измерени  сдвига фаз. Устройство содержит генератор 1 импульсов опорной частоты, формирователи 2 и 3 импульсов, формирователи 4-9 коротких импульсов, RS-триггеры 10-12, элементы И 14-16, 21-24, счетчики 18 и 19 импульсов, микропроцессор 20 и формирователь 28 огибающей пакета импульсов совпадени . Введение RS-триггера 13, элементов И 25-27, 35 и 36 и каналов 29-32 совпадени , каждый из которых содержит формирователи 33 и 34 коротких импульсов и RS-триггеры 37 и 38, позвол ет исключить операцию формировани  коротких импульсов по фронтам и срезам, вносившую погрешность в измерени . 2 нл. i (Л

Description

1/,5ми

Uj ftJttf)

1

Изобретение относитс  к информационно-измерительной технике, в частности к области фазовых измерений, и может быть использовано дл  измерени  сдвига фаз между двум  периодическими сигналами с получением результата в виде цифрового кода, пригодного дл  ввода в ЭЦВМ.

Цель изобретени  - повышение точности измерени  сдвига фаз.

На фиг. 1 представлена структурна  схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы его работы.

Устройство дл  измерени  сдвига фаз содержит генератор 1 импульсов опорной частоты, формирователи 2 и 3 импульсов, формирователи 4-9 коротких

3688022

RS-триггеров 11 и 12, при этом S-вход RS-триггера 11 соединен с шиной Пуск, а R-вход RS-триггера 13 f- через формирователь 9 коротких им- пульсов - с выходом элемента И 27. Выход RS-триггера 12 через элемент И 15 соединен со счетчиком 18 импульсов , выход которого соединен со вто10 рым входом микропроцессора 20, а выход RS-триггера 13 через элемент И 16 соединен с входом счетчика 19 импульсов, выход которого соединен с третьим входом микропроцессора 20.

If Выходы элементов И 22-25 соединены соответственно с вторыми входами каналов 29-32 совпадений, причем первый вход элемента И 35, соединенный с входами формирователи 33 и 34 корот

импульсов, RS-триггеры 10-13, элемен- 20 ких импульсов,  вл етс  первым входом

ты И 14-16, триггер 17 со счетным входом, счетчики 18 и 19 импульсов, микропроцессор 20, элементы И 21-27, формирователь 28 огибающей пакета импульсов совпадений, каналы 29-32 совпадений, каждый из которых содержит формирователи 33 и 34 коротких импульсов, элементы И 35 и 36 и RS-триггеры 37 и 38.

Выход генератора 1 импульсов опорной частоты соединен с первьми входами И 15, l6 и 21-25 и с первыми входами каналов 30 и 32 совпадений. Выход формировател  2 импульсов соединен с вторыми входами элементов И 21-23 и с первым входом канала 29 совпадений, а выход формировател  3 импульсов - с вторыми входами элементов И 24 и 25 и с первым входом канала 31 совпадений. Выход элемента И 21 через последовательно соединенные формирователь 28 огибающей пакета импульсов совпадений и формирователь 4 коротких импульсов подключен к R-входу RS-триггера 10, S-вход которого через формирователь 5 коротких импульсов соединен с выходом элемента И 26, а рыход через формирователь 6 коротких импульсов соединен с первым входом элемента И 14, второй вход которого соединен с выходом RS-триггера 11. Выход элемента И 14 соединен со счетным входом триггера 17, выход которого через формирователь 7 коротких импульсов соединен с S-входами RS-триггеров 12 и 13, а через формирователь 8 импульсов - с первым вхо- дом микропроцессора 20 и R-входами

0

5

канала 29 совпадений, а выход RS- триггера 38  вл етс  выходом канала 29 совпадений. Выход формировател 

33коротких импульсов соединен с 5 8-входом RS-триггера 37, R-вход

которого соединен с S-входом RS-триггера 38 и выходом элемента И 35, а выход - с первым входом элемента И 36. Выход формировател 

34коротких импульсов соединен со вторым входом элемента И 36, выход которого соединен с R-входом RS-триггера 38. Аналогично каналу 29 совпадений выполнены структурные св зи в каналах 30-32 совпадений. Выходы каналов 29 и 30 совпадений соединены соответственно с первым и вторым входами элемента И 26, а выходы каналов 31 и 32 - соответственно с первым и вторым входами элемента И 27.

1

Сущность работы устройства заключаетс  в следующем.

Из исследуемых периодических сиг- 5 налов формируютс  последовательности импульсов длительностей Т, и с , синфазных с исследуемыми сигналами, искомый угол сдвига фаз между которыми соответствует временному сдвигу t. (фиг. 2а, в). Если необходимо определить фазовый сдвиг у регул рных импульсных последовательностей, то в качестве исходных сигналов используют импульсы этих последовательностей .

При этом на функциональные возможности работы устройства накладываютс  граничные услови , вытекающие из следующих соображений. Если длительнос0

0 -t

5

ти исследуемых сигналов и сигнала опорной частоты Т, , Г и , а их периоды Т, 1/f, и TO 1/fo. то дл  того, чтобы в процессе совпадений можно было выделить моменты перехода фронтов совпадающих импульсов, достаточно обеспечить выполнение услови 

с, -ь Со 2 &Т

2 йТ,

где лТ |T,-Tj lf,-fJ/(f,.f).

При этом, в крайнем случае, образуетс  всего два импульса совпадений, а практически, когда реализуема  длительность формируемых импульсов намного превышает значение Л Т, обра- зуетс  не одна пара совпавших импульсов , а пакет импульсов совпадений . Однако дл  предложенного устройства необходимо также, чтобы

, + о„ 2 U Т

2.UT,

где €, T.-t,; € Т,-Т2; t -Т,-Т„,

т.е. с, , Tj и о образованы путем инверсии импульсов С, , Tj и Г, . В этом случае даже при непрерывном совпадении импульсов (фиг. 2к) возможно вьщелить моменты переходов как передних, так и задних фронтов импульсов исследуемых последовательное- тей и опорной частоты относительно друг друга.

В соответствии с (1) и (2) граничные частотные возможности работы устройства определ ютс  минимальными значени ми 6 z о причем, максимально возможна  частота f, определ етс  из услови 

Т, Т, + &Т.

Кроме того, из (1) следует, что устройство работоспособно и при Т , Cj и TO Т,/2 и .

Процесс измерени  сдвига фаз за- ключа тс  в формировании двух временных интервалов (.фиг. 2н, о) и при определении искомого значени  согласно следующему выражению:

,360 -1 -360° -2-.360°. (4)

i ,ipn

п

j.

10

15

, 25

30

,

35 40

45 50

55 где тип- цифровые эквиваленты TMI и Тр , определ емые как количество периодов Тд опорной частоты между моментами взаимного перехода передних фронтов импульсов первой и второй (сдвинутой на t) последовательностей относительно передних фронтов импульсов опорной последовательности .

Таким образом, в качестве границ получаемых временных интервалов в устройстве используют импульсы пакетов совпадений, которые выдел ют и формируют непосредственно в моменты полного совпадени  импульсов исследуемых последовательностей и импульсов опорной частоты (дл  Г, Гд ), т.е. в моменты взаимного перехода относительно друг друга соответствующих фронтов м пульсов указанных последовательностей и последовательностей , образованных инверсией последних.

Эти временные Ш1тервалы (jcf и Тр) заполн ют импульсами опорной f частоты и по числу периодов Т определ ют значение фазового сдвига.

Устройство работает следующим ббразом.

Исследуемые п ериодические сигналы частоты f, преобразуютс  формировател ми 2 и 3 импульсов в последовательности импульсов длительностей Z, fj (фиг. 2а, б). Так как импульсы этих последовательностей синфазны с исследуемыми сигналами, то между ними сохран етс  искомый сдвиг фаз cf с соответствующим ему временным сдвигом t..

Импульсы, следующие с фиксированной частотой fg с опорного генератора .1 импульсов, частота которого незначительно отличаетс  от частоты f, , ... поступают на первые входы элеметов И 15 и 16, но не проход т на их выход, так как на вторых входах этих элементов находитс  низкий потенциал (логический О) с выхода соответствующих RS-триггеров 12 и 13. Одновременно импульсы с опорного генератора 1 импульсов поступают на первые входы элементов И 21-25 и на первые входы каналов 30 и 32 совпадений. На вторые входы элементов И 21-23 и на первый вход канала 29 совпадений поступают

импульсы первой исследуемой последовательности частоты f, (фиг. 2а), а на вторые входы элементов И 24 и 25 на первый вход канала 31 совпадений импульсы второй исследуемой последовательности частоты f,, сдвинутой относительно первой на искомый угол tf .

При совпадении импульсов первой исследуемой последовательности с импульсами опорной частоты на входах элемента И 21 и на его выходе образуютс  пакеты импульсов совпадений (фиг. 2г). Пакеты поступают на вход формировател  28 огибающей пакета импульсов совпадений, представл ющего собой однотактный ждущий мультивибратор , период релаксации Тред которого выбираетс  несколько больше периода опорной частоты Т. С приходом импульса пакета формирователь 28 импульсов переходит из состо ни  О в состо ние 1 и удерживаетс  в этом

35

состо нии до конца пакета совпадений. 25 дений (фиг. 2д). По переднему фронту Таким образом, на выходе формировател  28 огибающей пакетов импульсов совпадений образуютс  прот женные пр моугольные импульсы длительностей , и Т -- Трел (фиг. 2г) .

Импульсы с выхода генератора 1 импульсов и формировател  2 импульсов первой последовательности импульсов исследуемой частоты поступают также на входы элементов И 22 и 23. Причем перва  последовательность импульсов исследуемой частоты подаетс  на пр мой вход элемента И 22, а опорной - на его инверсный вход. На элемент И 23 эти последовательности подаютс  на противоположные входы (фиг. 1). На выходе элемента И 22 формируетс  последовательность пакетов импульсов совпадений (фиг. 2д), в которой отсутствуют импульсы, соответствующие центральным импульсам пакетов, образованных при совпадении импульсов первой последовательности иктульсов исследуемой частоты и опорной (фиг. 2г). На выходе элемента И 23 форми- gQ руетс  непрерывна  последовательность (пакет) импульсов совпадений (фиг. 2е), поскольку в соответствии с

импульсов первой последовательности импульсов исследуемой частоты (фиг. 2и) которые подаютс  на S-вход триггера 37, последний устанавливаетс  в

30 единичное состо ние. Если в течение времени IT, на входе элемента И 35 по вл етс  импульс последовательности совпадений (фиг. 2д), то передним фронтом этого импульса с выхода элемента И 35 RS-триггер 37 по R-входу перебрасываетс  в нулевое состо ние до окончани  импульса о, (фиг. 2л). Этот же импульс с выхода элемента И 35 подаетс  на S-вход RS-триггера 38 и устанавливает его в единичное состо ние (фиг. 2л). Поскольку дл  случа , когда за врем  с, на выходе элемента И 35 имеетс  импульс из последовательности совпадений

g (фиг. 2д) и RS-триггер 37 перебрасываетс  в состо ние О раньще, чем

40

временными диаграммами С о,

Одновременно с генератора 1 импульсы опорной частоты и второй последовательности импульсов исследуемой частоты поступают соответственно на пр мой и инверсный входы элемента

по вл етс  короткий импульс заднего фронта (фиг. 2к) с выхода формировател  34, то элемент И 36 на врем  поступлени  импульса с формировател  34 импульсов закрыт и сброс RS-триг- гера 38 по R-входу не осуществл етс . Единичное состо ние RS-триггера 38 удерживаетс  (подтверждаетс ) с каждый раз, когда в течение очередного импульса длительностью , Т, на вход элемента И 35 поступает импульс последовательности совпадений (фиг. 2д) . Если же за врем  Г, на вход

Н 24 и соответственно на инверсный и пр мой входы элемента И 25. На выходе элемента И 24 формируетс  последовательность пакетов совпадений (фиг. 2ж), в которой отсутствуют импульсы, соответствующие центральным импульсам пакетов совпадений, образованных при совпадении импульсов

второй последовательности импульсов исследуемой частоты с опорной. На выходе элемента И 25 формируетс  непрерывна  последовательность (пакет ) импульсов совпадений (фиг. 2 ),

поскольку в соответствии с временными диаграммами с С

Импульсы с выхода формировател  2 импульсов первой последовательности исследуемой частоты поступают на первый вход канала 29 совпадений - на формирователи 33 и 34 коротких импульсов и первый вход элемента И 35. На второй вход последнего поступает последовательность импульсов совпадений (фиг. 2д). По переднему фронту

дений (фиг. 2д). По переднему фронту

импульсов первой последовательности импульсов исследуемой частоты (фиг. 2и), которые подаютс  на S-вход триггера 37, последний устанавливаетс  в

единичное состо ние. Если в течение времени IT, на входе элемента И 35 по вл етс  импульс последовательности совпадений (фиг. 2д), то передним фронтом этого импульса с выхода элемента И 35 RS-триггер 37 по R-входу перебрасываетс  в нулевое состо ние до окончани  импульса о, (фиг. 2л). Этот же импульс с выхода элемента И 35 подаетс  на S-вход RS-триггера 38 и устанавливает его в единичное состо ние (фиг. 2л). Поскольку дл  случа , когда за врем  с, на выходе элемента И 35 имеетс  импульс из последовательности совпадений

(фиг. 2д) и RS-триггер 37 перебрасываетс  в состо ние О раньще, чем

по вл етс  короткий импульс заднего фронта (фиг. 2к) с выхода формировател  34, то элемент И 36 на врем  поступлени  импульса с формировател  34 импульсов закрыт и сброс RS-триг- гера 38 по R-входу не осуществл етс . Единичное состо ние RS-триггера 38 удерживаетс  (подтверждаетс ) каждый раз, когда в течение очередного импульса длительностью , Т, на вход элемента И 35 поступает импульс последовательности совпадений (фиг. 2д) . Если же за врем  Г, на вход

713688028

элемента И 35 не поступит очередной Аналогичным образом функционир тот импульс совпадений (эта ситуаци  каналы 31 и 32 совпадений с той лишь соответствует моменту формировани  разницей, что на первый вход канала центральных импульсов пакетов совпа- 31 совпадений поступает втора  после- дений, образованных при совпадении довательность импульсоп исследуемой первой последовательности импульсов частоты, а на второй с -о вход - пос- исследуемой частоты и опорной), то ледовательность импуль,.ов совпадв- RS-триггер 37 по S-входу импульсом ний с выхода элемента И 24 (фиг. 2ж). с формировател  33 перебрасываетс  д На первый вход канала 32 совпадений в состо ние 1 и до конца импульсаТ, поступает последовательность импуль- сохран ет его (фиг. 2л). При этом сов опорной частоты, а на второй элемент И 36 открыт дл  импульса зад- вход - последовательность импульсов него фронта формировател  34, которым совпадений с выхода элемента И 25 RS-триггер 38 по R-входу переводитс  g (фиг. 2з), При этом на выходе кана- в состо ние О. В состо нии О ла 31 совпадений формируетс  сигнал, RS-триггер 38 находитс  до тех пор, представленный на фиг. 2п, а на вы- пока не закончитс  пакет центральных ходе канала 32 совпадений - посто н- импульсов и не по витс  первьй после ный сигнал единичного уровн  (фиг. 2р). него импульс на выходе элемента И 35 „п

(фиг. 2д, н). ПервьЕй импульс после На выходе элемента И 27 формиру- пакета центральных импульсов по вл етс  етс  импульс, повтор ющий импульс с только при переходе переднего фронта им- выхода RS-триггера 38 канала 31 сов- пульса первой последовательности ис- падений, который поступает на вход следуемой частоты относительно перед- 25 Формировател  9 коротких имп льсов. него фронта импульса опорной частоты. Сформированный короткий импульс с Передним фронтом этого первого им- выхода этого формировател  поступает пульса RS-триггер 38 по S-входу на R-вход RS-триггера 13 и подтверж- снова перебрасываетс  в единичное дает его исходное (нулевое) состо ние, состо ние (ФИГ..2Н). В соответствии с (4) по команде

Работа канала 30 совпадений подоб- Пуск RS-триггер 11 перебрасываетс  на работе 29 совпадений, однако, пос- в противоположное состо ние, разреша  кольку последовательность импульсов сигналом логической 1 прохождение совпадений (фиг. 2е)  вл етс  непре- через элемент И 14 короткого им- рывной ( tо 7 t, ), то на единичном Б пульса с формировател  6 коротких выходе RS- i p4rrepa 38 канала 30 сов- импульсов, соответствующего переднему падений посто нно сохран етс  состо- фронту сигнала с выхода элемента И 26.  ние логической 1 (фиг. 2о). Сигна- Последовательно соединенна  цепочка лы с выходов каналов 29 и 30 совпаде- из трех элементов: формирователь 5, ний подаютс  на элемент И 26, кото- 40 триггер 10, формирователь 6, необходи- рый повтор ет сигнал с выхода RS- ма дл  предотвращени  сбо , т.е. триггера 38 канала 29 совпадений. поступлени  повторного сигнала на Сигнал с выхода элемента И 26 посту- элемент И 14 за врем  Т формирова- пает на вход формировател  5 корот- ни  пакета совпадений при совпадении ких импульсов, который формирует 45 импульсов первой последовательности короткий импульс по переднему фронту импульсов исследуемой частоты и опор- импульса с выхода элемента И 26. Этот ной частоты (фиг. 2г). С этой целью импульс перебрасывает RS-триггер 10 на формирователе 4 импульсов форми- в противоположное (единичное) состо - руетс  короткий импульс заднего фрон- ние. Короткий импульс, сформированный 59 та пакета, которым RS-триггер 10 формирователем 6 коротких импульсов блокируетс  до конца пакета совпаде- по переднему фронту единичного сигна- ний, и лишь по окончании пакета ла с выхода RS-триггера 10, поступает переводит его в исходное состо ние. на первый вход элемента И Н. Однако Первый по счету импульс (после команды этот импуль с не проходит на его вы- gg Пуск) с выхода элемента И 14 переход , так как на втором его входе при- брасывает триггер 17 со счетным вхо- сутствует сигнал логического О с дом в единичное состо ние, а второй выхода RS-триггера 11, наход щегос  импульс возвращает его в исходное в исходном (нулевом) состо нии. (нулевое) состо ние. При этом формирователи 7 и 8 коротких импульсов, подключенные к выходу триггера 17, формируют первый и второй импульсы с формировател  6 импульсов в виде коротких импульсов переднего и заднего фронтов соответственно. Эти импульсы подаютс  на информационные входы RS-триггера 12, который по приходу импульса с формировател  7 опрокидываетс  и разрешает прохождение через элемент И 15 импульсов опоной частоты в счетчик 18 импульсов. RS-триггер 12 остаетс  в единичном состо нии, а запись в счетчик 18 импульсов продолжаетс  до тех пор, пока на R-вход триггера не поступит импульс с формировател  tt коротких импульсов. Таким образом, в счетчике

18импульсов зафиксировано m импульсов опорной частоты, определ ющих период следовани  пакетов импульсов совпадений при совпадении импульсов первой последовательности импульсов исследуемой частоты и опорной частоты .

Подсчет количества импульсов п осуществл етс  следующим образом. После команды Пуск и прохождени  через элемент И 14, триггер 17, и формирователи 7 и В сигнала, сформированного по переднему фронту первого импульса с элемента И 26, потен циал RS-триггера 13 разрешает прохождение импульсов опорной частоты через элемент И 14 в счетчик 19 импульсов . Импульс с формировател  9 коротких импульсов, соответствующий переднему фронту первого после команды Пуск импульса с выхода элемента И 27 (фиг. 2п) при совпадении импульсов второй последовательности импульсов исследуемой и опорной частот , возвращает RS-триггер 13 в исходное (нулевое) состо ние, и элемент И 26 закрываетс . В счетчике

19импульсов зафиксировано п импульсов опорной частоты.

RS-триггер 11 возвращаетс  в исходное состо ние импульсом с формировател  8 коротких импульсов, т.е. по приходу второго импульса с элемента И 26. Этот же импульс поступает на микропроцессор 20, разреша  обработку полученных кодов тип в соответствии с (4).

В случае, если заранее обеспечиваетс  выполнение услови  о. : t,.

то отдельные элементы уст

2

ройства (элементы И 23 и 25, каналы 30 и 31) из схемы могут быть исключены .

Положительный эффект от использовани  устройства заключаетс  в повышении точности измерени  сдвига фаз, достигаемой за счет введени  в устройство дополнительных элементов и св зей, позвол ющих исключить операцию формировани  коротких импульсов по фронтам и срезам, котора  вносит погрешность в измерени .

15

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Устройство дл  измерени  сдвига фаз, содержащее первый и второй формирователи импульсов, генератор

   импульсов опорной частоты, соединенный с первыми входами первого и второго элементов И, вторые входы которых соединены соответственно с выходами первого и второго

   RS-триггеров, причем S-входы последних соединены с выходом первого формировател  коротких импульсов, R-вход второго RS-триггера через второй формирователь коротких импульсов соединен с выходом третьего элемента И, а выход четвертого элемента И соединен с третым формирователем коротких импульсов, R-вход первого RS-триггера соединен с выходом четвертого формировател  коротких им 40

   45

   50

   дом микропроцессора и R-входом третьего RS-триггера, S-вход которого соединен с шиной Пуск, а его выход- с первьш входом п того элемента И, выход которого соединен через триггер со счетным входом, с входами первого и четвертого формирователей коротких импульсов, выходы первого и второго элементов И соединены с входами соответственно первого и второго счетчиков импульсов, выходы которых соединены соответственно с вторым и третьим входами микропроцессора, п тый и шестой формирователи коротких импульсов, отличающеес  тем, что, с целью повьш ени  точности, в него дополнительно введены четвертый RS-триггер, шестой, седьмой, tg восьмой, дев тый и дес тый элементы И и четыре канала совттадени , каждьш из которых содержит седьмой и восьмой формирователи коротких импульсов, одиннадцать и двенадцатый элементы

   11136

   И, п тый и шестой RS-триггеры и формирователь огибающей пакета импульсов совпадени , причем первый вход одиннадцатого элемента И соединен с входами седьмого и восьмого формирователей коротких импульсов и  вл етс  первым входом канала совпадений , второй вход одиннадцатого элемента И  вл етс  вторым входом канала совпадений, а выход шестого триггера  вл етс  выходом канала совпадений , выход одиннадцатого элемента И соединен с R-входом п того и S-входом шестого RS-триггеров, R-вход шестого триггера соединен с выходом двенадцатого элемента И, а S-вход п того триггера соединен с выходом седьмого формировател  коротких импульсов.

   25

   выход восьмого формировател  коротких 2о первым входом четвертого канала сов- импульсов соединен с первым входом двенадцатого эл емента И, а выход п того триггера соединен с вторым входом двенадцатого элемента И, при этом выход четвертого RS-триггера через п тый формирователь коротких импульсов соединен с вторым входом п того элемента И, S-вход четвертого RS-триггера соединен с выходом третьего формировател  коротких импульсов , а R-вход через последовательно соединенные шестой формирователь ко30

   падений, выходы седьмого, восьмого, дев того и дес того элементов И соединены соответственно с вторыми входами третьего, первого и четвертого и второго каналов совпадений, выходы первого и третьего каналов совпадений соединены соответственно с первым и вторым входами четвертого элемента И, а выходы второго и четвертого каналов совпадений - соответственно с первым и вторым входами третьего элемента И.

   802

   12

   ротких импульсов и формирователь огибающей пакета импульсов совпадений - с выходом шестого элемента И, первый вход которого соединен с выходом генератора импульсов опорной частоты, и с первыми Б одами седьмого , восьмого, дев того и дес того элементов И, кроме того, с первыми входами первого и второго каналов совпадений, выход первого формировател  импульсов соединен с вторыми входами шестого, седьмого и восьмого элементов И и, кроме того, с первым 5 входом третьего канала совпадений, второй вход дев того элемента И соединен с выходом второго формировател  импульсов и с вторым входом дес того элемента И и, кроме того, с

   0

   первым входом четвертого канала сов-

   падений, выходы седьмого, восьмого, дев того и дес того элементов И соединены соответственно с вторыми входами третьего, первого и четвертого и второго каналов совпадений, выходы первого и третьего каналов совпадений соединены соответственно с первым и вторым входами четвертого элемента И, а выходы второго и четвертого каналов совпадений - соответственно с первым и вторым входами третьего элемента И.

   М7Л//С:

   v:

   N