SU1406511A1 - Цифровой фазометр - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к цифровой электроизмерительной технике и может быть использовано дл  измерени  сдвига фаз между исследуемыми сигналами. Цель изобретени  - увеличение быстродействи  фазометра при обеспечении требуемой точности.измерени . Фазометр содержит формирующий блок 1, блок 2 управлени , генератор 3 тактовой частоты, управл емый делитель 4 частоты, формирователь 5, блок 6 определени  отношени  двух чисел, результирующий счетчик 9, делитель 11 частоты на 360. Введение формировател  7, элемента В запрета и управл емого делител  10 частоты с соответствующими св з ми позвол ет в течение одного периода исследуемого сигнала производить автоматический выбор тактовой частоты, измерение периода исследуемого сигнала Т. и временного интервала f , пропорционального сдвигу фаз Lfjjo Автоматическое преобразование результатов измерени  Т. t в непосредственный отсчет сдвига фаз в градусах производитс  эа врем  не более одного периода. Таким образом, общее врем  измерени  в наихудшем случае составит не более двух периодов исследуемого сигнала. 6 ил. с (Л

Description

о

СП

Изобретение относитс  к цифровой электроизмерительной технике и может быть использовано в устройствах измерени  сдвига фаз двух электрических сигналов с цифровым выходом

Цель изобретени  - повышение быстродействи  цифрового фазометра при обеспечении требуемой точности измерени  за счет одновременного автома- JQ тического выбора тактовой частоты при измерении периода Т у исследуемого сигнала и временного интервала д, пропорционального измер емому сдвигу фаз lAf, в течение одного пе- 15 риода исследуемого сигнала.

На фиг о 1 изображена структурна  схема цифрового фазометра; на фиг.2 - блок-схема формирующего блока; на фиг.З - блок-схема первого управл е- 20 мого делител  частоты; на фиг. 4 - блок-схема блока определени  отношени  двух чисел; на фиг, 5 - блок-схема второго управл емого делител  частоты; на фиг о 6 - временные диаграм- 25 мы, по сн ющие работу цифрового фазометра „

Цифровой фазометр содержит формирующий блок. 1, блок- 2 управлени , генератор 3 тактовой частоты, первый 30 управл емый делитель 4 частоты, пер- вый формирователь 5 импульсов, блок 6 определени  отношени  двух чисел второй формирователь 7 импульсов, эле- мент 8 запрета, результирующий счет- 5 чик 9, второй управл емый делитель 10 частотв), делитель 11 частрты на 360 (д). Первый и второй входы цифро- вого фазометра соединены соответст- венно с первым и вторым входами фор- 40 мирующего блока 1, первый выход которого соединен с первым входом блока 6 определени  отношени  двух чисел и с запрещающим входом элемента 8 запрета, выход которого соединен дз с первым входом управл емого делител  10 частоты, выход которого соединен с входом счетчика 9, Второй выход формирующего блока (ФВ) 1 соединен с вторым входом блока 6, первый CQ выход которого через делитель 11 соединен с первым входом блока 2, первый и второй выходы которого соединены соответственно с третьим и четвертым входами блока 1, п тый вход которого соединен с выходом делител  4, первый вход которого соединен с вторым входом блока 2 и с выходом генератора 3. Второй вход делител  4 соединен

с информационным входом элемента 8 и с первым выходом формировател  7 имг

пульсов, второй выход которого соединен с третьим входом блока 6, второй и третий выходы которого соединены соответственно с входом формировател  7 и вторым входом делител  10« Третий выход блока 2 соединен с четвертым входом блока 6, четвертый выход которого через формирователь 5 соединен с п тым входом блока 6,

Блок-схема формирующего блока 1 содержит два формировател  12 и 13 и два ключа 14 и 15, Первый и второй входы блока 1 через формирователи 12 и 13 соединены соответственно с первыми входами ключей 15„ Третий и четвертый входы блока 1 соединены соответственно с вторыми входами ключей 14 и 15, а п тый вход блока 1 соединен с третьими входами ключей 14 и 15о Выходы ключей 14 и 15  вл ютс  соответственно первым и вторым выходами блока 1 о.

Блок-схема первого управл емого делител  4 частоты содержит делитель 16 частоты, блок 17 элементов совпа- дейий, двоичный счетчик 18, элемент ИЛИ 19. Первый вход делител  4 соединен с входом делител  16, i-выходы которого (где i 1,п) соединены с j-ми входами блока 17 (где J 1 ,ri), j-e выходы которого (где j 1,п) соединены с а-ми (где i 1,п) входами элемента ИЛИ 19, выход которого  вл етс  выходом делител  4«Второй вход делител  4 соединен с входом счетчика 18, i-e выходы которого (где i 1 ,ri) соединены с j-ми входами (где J п + 1,2п) блока 17 i

Блок-схема блока 6 определени  отношени  двух чисел состоит из счетчика 20 сдвига фазы, блока 21 - элементов совпадений, общего счетчика 22, блока 23 элементов совпадений , счетчика 24 импульсов периода (СП) и двух элементов ИЛИ 25 и 26, Первый вход блока 6 соединен с первым входом счетчика 20, первый выход которого  вл етс  четвертым выходом блока 6 о Второй вход блока 6 соединен с первым входом счетчика 24, первый выход которого  вл етс  вторым выходом блока 6. Третий вход блока 6 соединен с вторым входом счетчика 24 1-е выходы которого (где i 2,n+l) соединены с j-ми входами (где J 1,п) блока 23, j-e выходы которо31А

го соединены с i-ми входами (где i 1; п) элемента ИЛИ 26, выход которого  вл етс  первым выходом блока 6 Четвертый вход блока 6 соединен с входом счетчика 22, i-e выходы которого (где i 1, п) соединены с J-ми (где J п+1,2п) входами блока 23, а i-e (где i п + 1 , 2п) выходы счетчика 22 соединены с J-ми входами (где j 1,п)блока 21, j-e выходы ко- торого соединены с i-ми (где ,n) входами элемента ИЛИ 25, выход которого  вл етс  третьим выходом блока 6 о П тый вход блока 6 соединен с вто- рым входом счетчика 20, i-e выходы которого (где i 25П +1) соединены с j-ми входами (где J п+1,2п) блока 2 Г,

Блок-схема второго управл емого делител  10 частоты состоит из двоичного счетчика 27 переполнений,блока

28элементов совпадений, делител 

29частоты и элемента ИЛИ 30„ Первый вход делител  10 соединен с входом счетчика 27, i-e выходы которого

(где i 1 ji)соединены с j-ми входами (где j 1,п).блока 28, j-e выходы которого (где j 1,п) соединены с i-ми входами элемента ИЛИ 30, вы- ход которого  вл етс  выходом делител  10. Второй вход делител  10 соединен с входом делител  29, i-e выходы (где i 1,п) которого соединены с J-ми (где J п+1,2п) входами блока 2-8

Работа цифрового фазометра основана на автоматическом выборе тактовой частоты в течение одного периода входного сигнала при одновременном измерении .периода Т,; исследуемого сигнала и временного интервала D, пропорционального измер емому сдвигу фаз if, и последующем автоматическом преобразовании результатов этих двух измерений в непосредственный отсчет сдвига фаз в градусах.

Цифровой фазометр работает следующим образом.

Перед началом измерени  счетчик 9,делитель 11, счетчики 18, 20, 24 и 27 импульсом с блока 2 устанавливаютс  в нулевое состо ние,. Формирователи 12 и 13 из входных сигналов

и, и и (диаграммы 31 и 32 на фиг,6) формируют импульсы, равные по длительности периоду Т исследуемого сигнала и времени /2 запаздывани  (опережени ) одного входного

сигнала относительно другого (диаграммы 33 и ЗА на фиг.6). Длительность этих импульсов определ ет врем  заполнени  импульсами тактовой частоты счетчиков 24 и 20 соответственно . В течение первого периода входного сигнала на счетчики 24 и 20 от генератора 3 через делитель 4 и блок 1 поступает максимальна  тактова  частота f, соответствующа  верхнему поддиапазону исследуемых частот.

При поступлении на вход с четчика 24 количества импульсов 2 , где п - разр дность двоичного счетчика, происходит переполнение этого счетчика частотой fg, которое осуществл етс  за отрезок времени Т , Импульс

переполнени  длительностью «.---

о

поступает на счетчик 18, который через блок 17 управл ет работой делител  16 так, что с последнего через тот же блок 17, элемент ИЛИ 19 и ключ 15 на заполнение счетчика 24 постУпа- ет тактова  частота f;| т,е., вдвое меньша  по сравнению с предыдущей тактовой частотой (диаграммы 33 и 34 на фиг,б)о Этот же импульс переполнени  счетчика 24 через формирователь 7 поступает в старший разр д счетчика 24 и записывает в нем 1. Таким образом, перед 1 ачалом заполнени  тактовой частотой f в нем зафиксировано количество импульсов N 2 , что соответствует числу импульсов, поступивших на вход счетчика с учетом новой, уменьшенной вдвое, тактовой частоты. Действительно , количество импульсов N, поступивших с частотой fi fe/2 за отре- зок времени Т , равно N

- T-f ь 1 f 2.

Если врем  запаздьгоани  одного входного сигнала относительно дру- го превышает отрезок времени Т, то одновременно с переполнением в счетчике 24 происходит переполнение в счетчике 20, Импульс переполнени  счетчика 20 через формирователь 5 поступает в старший разр д счетчика 20, Таким образом, в счетчике 20 (как и в счетчике 24 перед началом аапол- нени  его тактовой частотой f fo/2) зафиксировано количество поступивших на вход счетчика импульсов с учетом новой, уменьшенной вдвое, тактовой частоты.

Если при заполнении счетчиков

20

тоты вдвое

(т.е„ f,

-)

и 24 тактовой частотой f, вновь произойдет переполнение обоих счетчиков , то импульс переполнени  счетчиков вызовет уменьшение тактовой часfi fo ..,

и через формирователи 7 и 5 поступит в старшие разр ды счетчиков 20, 24 и запишет в них 1.

Если при заполнении счетчиков 20 и 24 тактовой Частотой f (где К 0,1,2,..,, га - номер частотного поддиапазона) произойдет переполнение только в счетчике 24р а в счетчике 20.переполнение отсутствует, что свидетельствует о завершении измерени  временного интервала С ,; , то импульс переполнени  счетчика 24 через элемент 8, открытый отсутствием сигнала и X с блока I, поступает в счетчик 27. Таким образом, в счетчике 20 будет зафиксировано число, пропорциональное интервалу

f

к

(1)

в счетчике 27 фиксируетс  количество ;1 переполнений счетчика 24 при измере НИИ интервала ()J а уменьшенна 

fK., к/2 бу- 24

; вдвое тактова  частота

;дет поступать только в счетчик

I (диаграмма 34 на фиг.6). Подобным

образом будет осуществл тьс  измене|ние тактовой частоты и фиксаци  коли:чества переполнений счетчика 24 до

|конца интервала Ту, а в счетчике 9

получаетс  число,

периоду Т, т.е.

X

пропорциональное

5

0

По окончанию периода Tj происходит считывание информации со счетчиков 20 и 24 следующим образом. С блока 2 поступает команда, по которой импульсы максимальной тактовой частоты fp поступают в счетчик 22.

Выходные уровни триггеров разр дов счетчиков 20 и 24 управл ют потенциальными входами блоков 21 и 23, а выходные сигналы триггеров разр дов счетчика 22 поступают на импульс ные входы блоков 21 и 23с. При совпадении обоих сигналов на входах блоков 21 и 23 по вл ютс  сигналы, которые проход т через элемент ИЛИ 25 и делитель 29, управл емый кодом в счетчике 27, через блок 28, элемент ИЛИ. 30 на результируюш;ий счетчик 9 и через элемент ИЛИ 26 на делитель 11.

Состо ние блоков 21 и 23 и, следовательно , суммарную частоту на выходе элементов ИЛИ 25 и 26.задают состо ни  триггеров счетчиков 20,24 и 5 22. Например, триггеры самых старших

двоичных разр дов счетчиков 20 и 24 . управл ют элементами блоков 21 и 23 совпадений, на которые подаютс  сигналы от триггера самого младшего разр да счетчика 22„

Суммарна  частота с выхода элемента ИЛИ 26 равна

0

Jr. . f W, V

(4)

где Ng - числова  емкость каждого из счетчиков 20, 24 и 22.

Принима  во внимание выражение (2), получим

Тх- f i

f

N,

(5)

N

,f

(2)

где 1 - номер частотного поддиапазона ().

Учитыва , что после каждого переполнени  тактова  частота уменьшаетс  в.два раза, то количество 1 переполнений в счетчике 24 при измереНИИ интервала ( как

1 log, (- -).

)

определитс 

(3)

Таким образом, в течение одного йериода Т у происходит получение кодов и/j и N .J. в счетчиках 20 и 24 соответственно

выхода элеменСуммарна  частота с та ИЛИ 25 равна

f . -Lt . f

Ч N« 0

0

5

Учитыва  выражение (I), получим

о f

- ; I к f.

f

N,

(6)

Импульсы с выхода элемента ИЛИ 25 поступают на делитель 29, который через блок 28 управл етс  счетчиком 27 переполнений так, что на выходе элемента ИЛИ 30 суммарна  частота получаетс  в 2 раз меньше, чем на входе делител  29, Тое на выходе элемента ИЛИ 30 частота импульса равна

°

Учитыва  вьфажение (6) и лучим

Я -г 1- X 1 1

f -, . f

кГ в

При поступлении на делитель 11 360 импульсов суммарной частоты f вьдаетс  импульс переполнени  на блок 2,.который прекращает доступ тактовой частоты на счетчик 22. Импульсы частоты f (J поступают в счетчик 22 в течение времени

.t - .t - --. (8)

где N 360 - коэффициент делени  частоты делител  11,

Число подсчитанных импульсов в счетчике 9 за интервал At равно N at f,

Принима  во внимание выражение (5), (7) и (8), получим

N 360 .

т.е число будет равно непосредственно сдвигу фаз в градусах

Таким образом, врем  Т, измерени  сдвига фаз цифрового фазометра складываетс  из периода исследуемого сигнала, в течение которого измер ютс  период Т j( исследуемого сигнала и временной интервал о , пропорциональный измер емому сдвигу фаз 0, и времени автоматического преобразовани  результатов измерени  Т и 11X в непосредственный отсчет сдвига фаз в градусах, которое зависит от требуемой погрешности измерени  и быстродействи  используемых элементов , т, е,

Т + 4t, ,

Составл юща  ut (как следует из выражений (8) и (4))тем меньше, чем больше частота f генератора тактовой частоты и значение отношени  и чем меньше коэффициент делени  делител  11. Частота f ограничиваетс  максимально достигаемым быстродействием компонент схемы Отношение (j измен етс  в пределах поддиапазона от 1/2 до 1 о Что касаетс  коэффициента делени  делител  11, то он выбираетс , исход  из услови  получени  требуемой точности измерени  Таким образом, если, например, значение коэффициента делени  выбран равным 360, что соответствует желаемой точности измерени  сдвига фаз в 1 ,

значение fj 1

МГц и отношение

т . -Ж- (худшее быстродействие),

то составл юща  будет равна 0,72 х X 10 Со Следовательно, при измере10 НИИ сдвига фаз сигналов низкой .и инфранизкой частот составл юща  /it . соизмерима с периодом исследуемых сигналов,, Таким образом, общее врем  измерени  в наихудшем случае составит

15 не более двух периодов исследуемого сигнала, в то врем , как в прототипе оно составл ет три периода, т.е„ при обеспечении требуемой погрешности измерени  увеличиваетс  быстродейст20 вие фазометра, в/результате чего снижаетс  динамическа  погрешность измерени  сдвига фаз.

Предлагаемый цифровой фазометр может использоватьс  в качестве лабо25 раторного измерительного прибора, а

также в качестве блока в цифровьГх - системах обработки информации и автоматического контрол ,

Claims (1)

1. 30 Формула изобретени 

   Цифровой фазометр,.содержащий формирующий блок, первый и второй входы которого соединены с входными клеммами устройства, первый и второй выходы формирующего блока соединены соответственно с первым и вторым входами блока определени  отношени  двух чисел, первый выход которого через делитель частоты подсоединен к первому входу блока управлени  i первый выход которого соединен с третьим входом формирующего блока, четвертый вход которого соединен с выходом первого управл емого делител  частоты, первый вход которого соединен с выходом генератора тактовой частоты, первый выход формировател  импульсов соединен с третьим входом блока определени  отношени  двух чисел, второй выход которого соединен с входом формировател  импульсов, второй выход которого соединен с вторым входом первого управл емого делител  частоты , а четвертый вход блока определени  отношени  двух чисел соединен с вторым выходом блока управлени , а также результирующий счетчик, о т.- личающийс  тем, что, с

   35

   40

   45

   50

   55

   9.

   целью повышени  быстродействи  за счет одновременного автоматического выбора тактовой частоты, измерени  периода исследуемого сигнала и временного интервала, пропорционального сдвигу фаз, в течение одного периода исследуемого сигнала, в него введены второй формирователь импульсов , второй управл емый делитель частоты и элемент запрета, информационный вход которого соединен с вторым выходом первого формировател  импульсов, запрещающий вход соединен с первым выходом формирующего блока.

   12

   /4

   13

   15

   /

   фиг.2

   О

   а выход - с входом второго управл емого делител  частоты, выход которого соединен с входом результирующего счетчика, а второй вход - с третьим выходом блока определени  отношени  двух чисел, четвертый выход которого через второй формирователь импульсов соединен с п тым входом блока определени  отно- щени  двух чисел, при 3ffOM выход генератора тактовой частоты соединен с вторым входом блока управлени , третий выход которого соединен с п - тым входом формирующего блока.

   . J

   ive.

   31

   31

   3Z

   Ifo fof/f.

   Тх

   II - I - fffo Ifo

   V/V.,

   Ktl

   ///i

   фиг.6