SU1734039A1 - Способ измерени разности фаз между последовательност ми периодических импульсов со скважностью больше двух - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике, в частности к способам и сред- ствам измерени  разности фаз и предназначено дл  использовани  в им- пульсно-фазовых светодальномерах. Изобретение позвол ет расширить область применени  путем формировани  заданного закона изменени  однозначной ветви выходной характеристики. Способ измерени  разности фаз заключаетс  в перемножении ограниченных по амплитуде последовательностей периодических импульсов с последующей фильтрацией низкочастотной составл ющей. Причем импульсы опорной последовательности модулируют по амплитуде и времени следовани . 1 табл , 6 ил

Description

сл

с

Изобретение относитс  к измерительной технике, в частности к методам и средствам измерени  разности фаз. и предназначено дл  использовани  в им- пульсно-фазовых светодальномерах.

Известен способ измерени  разности фаз, заключающийс  в перемножении двух гармонических сигналов с последующей фильтрацией низкой частоты/ В результате выходное напр жение пропорционально косинусу угла сдвига фазы между входными сигналами.

Недостаток этого способа заключаетс  в том, что закон изменени  выходного напр жени   вл етс  гармоническим, однозначно определен видом входных сигналов и не может быть изменен.

Известен способ измерени  разности фаз, заключающийс  в перемножении двух входныхсигналов, фильтрации низкочастотных составл ющих, дальнейшем нормировании и масштабном суммировании синусного и косинусного выходных сигналов. В результате напр жение на выходе линейным образом соответствует разности фаз входных сигналов.

Недостатками указанного способа  вл ютс  сложность реализации и эффективность его работы только при синтезе линейного закона изменени  выходного сигнала.

Известен способ измерени  разности фаз, заключающийс  в ограничении по амплитуде двух входных сигналов, их перемножении с последующей фильтрацией низкочастотной составл ющей.

Однако при измерении разности фаз между сери ми пр моугольных импульсов однозначна  ветвь выходной характеристики имеет линейный характер (фиг. 1а), который не может быть изменен.

i VJ со

Јь

о со ю

В то же врем  при использовании фазо- измерительных устройств в импульсно-фа- зовых светодальномерах линейный закон изменени  однозначной ветви выходной характеристики не всегда  вл етс  оптимальным .

Известно, что среднеквадратическое отклонение (о) измерений дальности относительно истинной (D ) в фазовом свето- дальномере определ етс  выражением

а sD.

(D

где s - коэффициент (в сканирующих светодальномерах ).

Поэтому с ростом измер емой дальности точность измерений объективно падает. Цифровые способы обработки измеренного сигнала дальности предполагают наличие на выходе светодальномера аналого-цифрового преобразовател  (АЦП).

Разр дность АЦП определ етс , с одной стороны, диапазоном изменени  выходного напр жени  фазометра - Um, с другой - наименьшей из допустимых погрешностей измерени  дальности (ДО0), которые мен ютс  в зависимости от измер емых рассто ний (в соответствии с (1)). Вес младшего разр да АЦП должен быть не более A Do, соответствующего AD0 (см. фиг.1а). Тогда число разр дов определ етс 

как п

т-. В то же врем  с ростом дальДЦ/

ности допустима  погрешность измерени  растет и в других точках измер емого диапазона младшие разр ды АЦП не используютс , так как их вес меньше допустимой погрешности измерений Д0е Д00. Поэтому при большом диапазоне измер емых рассто ний и требовании высокой точности в светодальномере необходимо примен ть многоразр дное АЦП, хот  его младшие разр ды используютс  только при измерении малых рассто ний. А это значительно усложн ет техническую реализацию дальномера и уменьшает его быстродействие.

В таких устройствах более целесообразным был бы закон изменени  однозначной ветви выходной характеристики в виде зависимости, пропорциональной величине m - D2 или m - D3, где m - число, что позволило бы значительно сократить количество разр дов АЦП за счет увеличени  веса младшего разр да от Д D0 до Д De с ростом измер емой дальности в соответствии с (1) (фиг.1 б,в). В некоторых случа х с целью сжати  измер емого диапазона целесообразна  логарифмическа  зависимость выходного напр жени  фазометра в пределах

зоны однозначности выходной характеристики . Возможны и другие требовани  к закону изменени  сигнала на выходе фазоизмерительной схемы. Известный способ не может осуществл ть перестройку закона изменени  однозначной ветви своей выходной характеристики в соответствии с заданными требовани ми.

Целью изобретени   вл етс  расширение области применени  путем формировани  заданного закона изменени  однозначной ветви выходной характеристики за счет дополнительных модул ций опорной последовательности импульсов.

Указанна  цель достигаетс  тем, что согласно способу измерени  разности фаз, заключающемус  в перемножении ограниченных по амплитуде последовательностей периодических импульсов со скважностью

больше двух с последующей фильтрацией низкочастотной составл ющей, модулируют импульсы опорной последовательности по амплитуде и времени следовани .

На фиг.1 показаны выходна  характеристика прототипа, одна из возможных характеристик устройства, реализующего способ и схема определени  необходимого числа разр дов последующего АЦП; на фиг.2 - схема выбора аппроксимирующих пр мых;

на фиг.З - графики, по сн ющие работу устройства , осуществл ющего способ; на фиг.4 - блок-схема устройства, реализующего способ; на фиг.5 - пример техреализации амплитудного модул тора; на фиг.6 - пример техреализации счетчика.

Способ осуществл ют следующим образом .

Пусть на выходе фазометра дл  однозначной возрастающей ветви характеристики необходимо синтезировать закон 1)Вых U f , имеющи и положительную вторую производную. Проведем кусочно-линейную аппроксимацию заданной зависимости, при этом выберем узловые точки р , так, чтобы

на участке ((p ;ip + 1 ошибка аппроксимации не превосходила заданную Д11| (фиг.2). Алгоритм выбора аппроксимирующих пр мых и соответствующих узлов определ етс  следующими положени ми.

1. Уравнение пр мой yi f (уз), проход щей через точки U (де ) и U( p -и) кривой иВых U (/), имеет вид

)+()«

2. Дл  каждой из аппроксимирующих пр мых значение р известно. Дл  первого узла (ро - 0, а дл  других - нижн   граница

рассматриваемого участка р совпадает с верхней границей предыдущего. Известен закон изменени  U (р) и допустима  погрешность аппроксимации на каждом участке AUj. Отсюда возможно определение значени  верхнего узла р + 1 следующим образом.

Максимальна  ошибка аппроксимации на участке имеет место при некотором значении рэ, определ емом выражением (по- иск экстремума

(у-иЫ)

откуда с учетом (2) следует

u. Р +1 -

С другой стороны, ошибка аппроксимации не может превосходить допустимую погрешность Д Ui, отсюда

A (p3i)-U(i)|

(4)

С учетом (2) - (4) имеем систему из двух уравнений с двум  неизвестными 9%i ф + 1 :

и-М и( + 1)иЫ

Р +1 - де

. ,, U (pt +i)-u(pj) , ,

A Ui vr ( - (fl) + -ос

р + 1 - (

+ U(pi)-U(yb.)

(5)

Система (5) позвол ет определить р + 1 и тем самым получить по выражению (2) уравнение аппроксимирующей пр мой.

3. Определение узлов р + 1 и аппроксимирующих пр мых производитс  последовательно .- Дл  р0 0 по (5) определ етс  р . Дл  следующего участка на место р в (3) и (4) подставл етс  pt и определ етс  (pi и т.д.

Пусть на вход фазоизмерительного устройства приход т последовательности пр - моугольных импульсов с внутренней частотой f. При этом длительность импульсов меньше половины периода их следова1 ни Т - и много больше длительности из

фронтов. Тогда на выходе фазометра имеет место напр жение, равное сумме величин, пропорциональных произведению соответствующих входного и опорного импульсов в

их перекрывающейс  части. Таким образом, имеем

и8Ых 2 А Bi чх , (Јj

5

0

15

0

5

0

с

b

0

5

и

55

где А - амплитуда входного импульса;

BJ - амплитуда соответствующего опорного импульса на входе перемножител ;

ф 2jrfti,

где ti - длительность перекрывающейс  части сравниваемых импульсов (фиг.За).

Очевидно, что с ростом времени задержки входной последовательности импульсов ti и (р будут линейным образом измен тьс .

На фазоизмерительное устройство поступает последовательность из N импульсов , поэтому в результирующее напр жение определ ет осредненный результат фазового измерени  no N периодам. Результат измерений в каждом из периодов определ етс  имплитудами входного и опорного импульсов , а также их фазовым сдвигом. Модулиру  опорные импульсы по амплитуде (В|), возможно изменение крутизны выходной характеристики (см. выражение (6)), а использование модул ции по времени следовани  опорных импульсов дает возможность производить эти изменени  в определенный момент времени. Действительно , при измерении сдвига фазы между двум  одинаковыми периодическими последовательност ми из N импульсов измерение по закону (6) производитс  одновременно в каждом из периодов (фиг.36). В случае временной и амплитудной модул ции опорной серии импульсов измерение в каждом из периодов производитс  с соответствующей крутизной и с определенным временным запаздыванием, что позвол ет придать выходной характеристике вид кусочно-линейной функции с возможностью ее произвольного формировани  (фиг.Зв).

Выбор законов модул ции опорной серии импульсов определ етс  требуемым видом выходной характеристики по алгоритму 1-3.

Рассмотрим соответствующую процедуру дл  функции Увых U (р), имеющей положительной вторую производную (фиг.Зв).

Пусть в соответствии с алгоритмом 1-3 выбрана кусочно-линейна  функци  и определены К узлов; (р0 . . . , fk , дл  каждого из участков ip0 - (р : f - - . . . / - 1 fk

определены аппроксимирующие пр мые:

У01 Со,1 р при р,(р0 , У02 С1,2 Fi,2 при , (pi} yk-1.k Ck-1.k p + Fk-1.k при . - 1 , k

Установим законы модул ции опорной серии импульсов, позвол ющие синтезировать заданный вид однозначной ветви выходной характеристики. Пусть амплитуда входных импульсов после амплитудного ограничител  равна А. Тогда согласно (6) амплитуда и врем  задержки соответствующего опорного импульса определ етс  согласно таблице.

Выражени  приведены с учетом того, что при осреднении на ФНЧ после перемножени  последовательностей импульсов происходит накопление результатов измерени . За счет временной модул ции в опорной серии импульсов при измерении различных фазовых сдвигов число периодов измерений, участвующих в осреднении на данном участке характеристики будет равным (фиг.Зв) - от единицы до числа аппроксимирующих пр мых К. Поэтому и амплитуда соответствующего импульса опорной серии выбираетс  с учетом амплитуд предыдущих импульсов. При числе импульсов в последовательности N больше К, К + 1 опорный импульс имеет параметры 1-го импульса, К + 2 - второго и так далее, что обеспечивает увеличение периодов измерений , участвующих в осреднении на соответствующих участках выходной характеристики.

Осуществление способа рассмотрено дл  функции U (р), имеющей положительную вторую производную. Аналогично он примен етс  и дл  убывающей ветви характеристики при синтезе закона, имеющего отрицательную вторую производную. Другие виды закона (J(p синтезируютс  по указанным примерам при использовании инверсного выхода перемножител .

Таким образом, предлагаемый способ позвол ет сформировать требуемый закон изменени  участка однозначной ветви выходной характеристики с необходимой точностью , что обеспечивает расширение функциональных возможностей способа.

Устройство измерени  сдвига фазы содержит последовательно соединенные первый усилитель-ограничитель 1, управл емую линию 2 задержки, амплитудный модул тор 3, перемножитель 4, фильтр 5

низкой частоты, а также второй усилитель- ограничитель 6 и счетчик 7. Выход второго усилител -ограничител  6 соединен с вторым входом перемножител  4, выход первого усилител -ограничител  соединен с входом счетчика 7, выход которого соединен с управл ющими входами управл емой линии 2 задержки и амплитудного модул тора 3.

Первый и второй усилители-ограничители 1 и 6, а также перемножитель 4 реализуетс  по известной схеме.

Фильтр низкой частоты 5 представл ет из себ  интегратор на операционном усилителе .

Амплитудный модул тор 3 (фиг.5) состоит из последовательно соединенных набора задатчиков 8 напр жени , мультиплексора

9и преобразовател  10 уровн . При этом управл ющие входы мультиплексора 9  вл ютс  управл ющим входом всего амплитудного модул тора 3, а второй (информационный) вход преобразовател 

10уровн   вл етс  входом амплитудного

модул тора 3.f

Задатчики 8 напр жени  реализуютс  в виде потенциометров и источника напр жени ., Счетчик 7 (фиг.6) выполн етс  в виде .

соединени  двоичного счетчика 11 и цифровых компараторов 12 и 13 (на основе АЛУ 564 ИПЗ), причем выходы цифровых компараторов 12,13 соединены через элемент ИЛИ 14с входом обнулени  двоичного счетчика 11.

Порог срабатывани  цифрового компа- ч ратора 12 установлен равным числу К (число различно модулированных импульсов опорной серии), а порог срабатывани  компаратора 13 установлен равным числу импульсов в опорной последовательности - N. Устройство работает следующим оора- зом.

На входе первого 1 и второго 2 усилителей-ограничителей приход т соответственно . опорна  и входна  последовательности импульсов, где они ограничиваютс  по амплитуде и формируютс  по форме. Опорна  сери  поступает с выхода первого усилител -ограничител  1 на вход счетчика 7 и управл емой линии 2 задержки . При этом задержка по входу на управл емой линии 2 задержки больше, чем врем  срабатывани  счетчика 7. В соответствии с номером импульса в пришедшей последовательности счетчик измен ет цифровой код на своем выходе, который служит управл ющим дл  управл емой линии 2 задержки и амплитудного модул тора 3. Управл ема  лини  2 задержки, пропуска  через себ  очередной импульс опорной последовательности , увеличивает его врем  задержки на определенную величину в соответствии с установленным кодом на выхо- де счетчика 7. В амплитудном модул торе 3 этот импульс измен ет свою амплитуду до величины, определенной соответствующим задатчиком напр жени  8 (в соответствии с кодом управлени  мультиплексор 9 подклю- чает определенное напр жение с задатчика 8 напр жени  на вход питани  преобразовател  10 уровн , который измен ет амплитуду очередного импульса). Таким образом, перемножитель 4 перемножают последова- тельно по одному входные импульсы одинаковой имплитуды и фазовой задержки с опорными импульсами, определенным образом промодулированным по амплитуде и времени следовани . На фильтре 5 низкой частоты происходит накопление и осреднение результатов измерений. Выбор величины времен задержки на управл емой линии 2 задержки, а также набора напр жений на задатчиках 8 напр жений определ - етс  законами модул ции в соответствии с таблицей.

При повышении числа импульсов величины К (см. таблицу) срабатывает первый цифровой компаратор 12, обнул   двоич- ный счетчик 11, и изменение выходного кода на выходе счетчика 7 повтор етс  заново, начина  с нулевого. По завершении прохождени  последовательности опорных импульсов срабатывает второй цифровой компаратор 13, порог которого равен числу импульсов в опорной серии N. Он также обнул ет двоичный счетчик 11. Таким образом , по завершении цикла модул ции, что определ етс  числом К, а также в конце опорной серии импульсов счетчик 7 готов начинать отсчет снова.

Применение предлагаемого способа измерени  разности фаз между последовательност ми периодических импульсов со скважностью больше двух и устройство его осуществлени  позвол ют сформировать заданный закон изменени  однозначной ветви выходной характеристики и расширить функциональные возможности их использовани .

Claims (1)

1. Формула изобретени  Способ измерени  разности фаз между последовательност ми периодических импульсов со скважностью больше двух, заключающийс  в том, что перемножают ограниченные по амплитуде последовательности периодических импульсов с последующей фильтрацией низкочастотной составл ющей, отличающий с   тем, что, с целью расширени  области применени  путем формировани  заданного закона изменени  однозначной ветви выходной характеристики , импульсы опорной последовательности модулируют по амплитуде и времени следовани .

   К

   /| I

   Ъ Ъ Ъ Ъ Ј«

   Шиг.г

   Vguxi

   ч;

   Уьигг

   №

   1I4

   V8ouH

   LL

   о

   Vfaxf

   v

   VfoxZ

   V

   1Ц

   fa,, уу/

   ГУ

   у

   6

   фиг.З

   /

   Фиг.4

   фиг. 5

   //

   12

   /J

   фиг. 6