SU1742744A2 - Фазометр - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к электро- и радиоизмерительной технике и может быть использовано при разработке цифровых фазо- метрических устройств. Цель изобретени  - повышение точности измерени  в широком динамическом диапазоне входных сигналов , что достигаетс  путем введени  блока 12 поправок в каждом канале, последовательно соединенных коммутатором 1 и 4 и аттенюаторов 2 и 5, а также новыми функциональными св з ми. Изобретение позвол ет в режиме калибровки фазометра определ ть фазовые сдвиги в преобразовател х дл  данной входной частоты фазометра во всем динамическом диапазоне входных сигналов устройства. 4 ил.

Description

Изобретение относитс  к электро-ра- диоизмерител ьной технике и может быть ис- пользовано при разработке цифровых фазометрических устройств.

Известен фазометр, содержащий два стробоскопических преобразовател , соединенных с низкочастотным измерителем разности фаз, последовательно соединенных цифрового измерител  частоты, вычислительного блока и запоминающего блока, последовательно соединенных генератора стробимпульсов и делител  частоты с переменным коэффициентом делени , соединенного со стробоскопическими преобразовател ми и вычислительным блоком, выход которого соединен с низкочастотным измерителем разности фаз. Недостатком данного фазометра  вл етс  недостаточна  точность измерени  в автоматизированном режиме при работе в широком динамическом диапазоне входных сигналов.

Цель изобретени  - повышение точности измерени  в автоматизированном режиме при работе в широком динамическом диапазоне входных сигналов.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в фазометр, состо щий из двух стробоскопических преобразователей, соединенных с низкочастотным измерителем разности фаз, последовательно соединенных цифрового измерител  частоты, вычислительного блока и запоминающего блока, последовательно соединенных генератора стробимпульсов и делител  частоты с переменным коэффициентом делени , соединенного со стробоскопическими преобразовател ми и вычислительным блоком, выход которого соединен с низкочастотным измерителем разности фаз, дополнительно введены блок поправок, а в каждый канал последовательно соединенные коммутатор и аттенюатор , выход которого соединен со стробоскопическим преобразователем соответствующего канала, входы управлени  коммутаторов и аттенюаторов соединены с вычислительным блоком, входы и выход которого соединены с блоком поправок и низкочастотным измерителем разности фаз, вход которого соединен с генератором стро- бимпульсов, оба входа фазометра соединены с входами коммутаторов обоих каналов. Введение дополнительных блоков с указанными св з ми позвол ет повысить точность измерени  сдвига фаз в автоматизированном режиме при изменении уровней вход- ных сигналов фазометра в широких пределах. Повышение точности достигаетс  за счет измерени  фазовых погрешностей стробоскопических преобразователей при изменении уровней их входных сигналов и аттенюаторов, а затем автоматического исключени  данных погрешностей из ре- зальтата измерени  сдвига фаз в низкочастотном измерителе.

На фиг. 1 приведена структурна  схема предлагаемого фазометра; на фиг. 2 - вариант реализации низкочастотного измерител  разности фаз; на фиг. 3, 4 - вариант вычислительного блока и блок-схема алгоритма его работы.

Фазометр содержит последовательно соединенные коммутатор 1, аттенюатор 2 и стробоскопический преобразователь 3, последовательно соединенные коммутатор 4, аттенюатор 5 и стробоскопический преобразователь 6, генератор импульсов 7, соединенный через делитель 8 частоты с переменным коэффициентом делени  с входами стробоскопических преобразователей 3 и 6, выходы которых соединены с низкочастотным измерителем разности фаз 9, цифровой измеритель 10 частоты, вход которого соединен с входом стробоскопического преобразовател  6, а выход-с вычислительным блоком 11, входы и выходы вычислительного блока 11 соединены с блоком поправок 12, запоминающим блоком 13, коммутаторами 1 и 2, аттенюаторами 3 и 4, делителем частоты 8 с переменным коэффициентом делени  и низкочастотным измерителем разности фаз 9 соединеным с генератором стробимпульсов 7.

Фазометр работает следующим образом .

Напр жени , сдвиг фаз между которыми необходимо измерить, поступают через коммутаторы 1 и 4, аттенюаторы 2 и 5 на первые входы стробоскопических преобразователей 3 и 6. На вторые входы их поступают короткие стробимпульсы частоты тстр с выходов делител  8 частоты с переменным коэффициентом делени  (ДПКД), вход которого подключен к генератору 7 стробимпульсов . Коэффициент делени  ДПКД 8 Kfl fr/fcTp, определ ющий частотустробиро- вани , находитс  из услови  наименьшего

отклонени  преобразованной частоты РПр от ее некоторого среднего значени . Значение преобразованной частоты находитс  как (nfr)/Kfl при преобразовании на нижней боковой частоте, Fnp(rifY)/KA-fc при преобразовании на верхней боковой частоте , где п - номер гармоники частоты fcrp, на которой имеет место преобразование; f - частота генератора 7 стробимпульсов; fc 0 частота сигнала. Использование обоих боковых частот позвол ет уменьшить амплитудную составл ющую погрешности фазометра при изменении уровней его входных сигналов в широких пределах. Дл 

5 услови  (nfr) на преобразованной частоте Fnp знак измеренного сдвига фаз входных сигналов фазометра мен етс  на обратный по сравнению с измеренным сдвигом фаз при условии (nfr).

0 Указанные режимы и услови  выбора коэффициента делени  ДПКД 8 определ ют алгоритм работы вычислительного блока 11. При этом значени  частоты сигнала наход тс  с помощью цифрового измерител  10

5 частоты, а программа вычислений и значени  Рпрмин, Рпрмакс хран тс  в запоминающем блоке 13. Дл  ускорени  поиска необходимых коэффициентов делени  ДПКД 8, обеспечивающих минимальное от0 клонение преобразованной частоты относительно номинальной, их значени  дл  определенных поддиапазонов частоты сигнала могут быть вычислены предварительно и записаны в запоминающем блоке 13,

5 Функции вычислительного блока 11 в этом случае свод тс  к слежению за частотой сигнала , прин тию решени  о необходимости изменени  Кд, выборке его значени  из запоминающего блока 13 и занесени  в ДПКД

0 8. Сигналы преобразованной частоты РПр с выходов стробопреобразователей 3 и 6 поступают на входы низкочастотного измерител  9 разности фаз. Измер емый им фазовый сдвиг соответствует фазовому

5 сдвигу между сигналами, действующими на входе фазометра. Работа вычислительного блока 11 и цифрового измерител  10 частоты синхронизируетс  с работой низкочастотного измерител  9 разности фаз. При

0 этом фазометр имеет два режима: режим калибровки и рабочий режим. В режиме калибровки осуществл етс  измерение амплитудной составл ющей погрешности в каждом канале фазометра и определение

5 фазовых погрешностей аттенюаторов 2, 5 дл  данной частоты входного сигнала фазометра . При этом врем  измерени  разбиваетс  на два цикла; дл  заданного ослаблени  входного сигнала (например, в первом канале) и дл  первого цикла измерени  определ етс  в вычислительном блоке 11 значение коэффициента делени  делител  частоты 8, исход  из услови  nfr/KA fc. Результат измерени  сдвига фаз в блоке 9 за первый цикл измерени  можно представить в виде

+№11

(D

где дош, - сдвиги фаз, вносимые в первом канале аттенюатором 2 и стробоскопическим преобразователем 3 соответственно в первой точке ослаблени  аттенюатора 2.

Дл  второго цикла измерени  фазометра коэффициент делени  делител  частоты 8 определ етс  в вычислительном блоке 11, исход  из услови  nfi7Kfl fc, тогда результат измерени  сдвига фаз в блоке 9 определ етс  формулой

р ,

(2)

где (рт сдвиг фаз, возникающий в узлах фазометра при перестройке ДПКД 8 дл  обеспечени  работы на верхней, и нижней боковых частотах.

Значение сдвига фаз рг определ етс  автоматически путем подключени  входов стробоскопических преобразователей 3 и 6 одному из входов фазометра с помощью коммутаторов 1 и 4, измерени  сдвига фаз при нулевых ослаблени х аттенюаторов 2 и 5 в течение двух циклов при услови х nfr/KA fc и nfi7KA fc. При этом значение амплитудной составл ющей погрешности фазометра определ етс  в вычислительном блоке 11 по формуле

.«ll+ribfi:

(3)

Дл  второй точки ослаблени  аттенюатора 2 и измерений фазовых сдвигов при услови х nfr/KA fc и nfr/Kfl fc в вычислительном блоке 11 получают значение амплитудной составл ющей погрешности фазометра в виде

+ рс12, Р12 + - рМ2 + фсП + (fk,

уЬ+pfe-yv

(4)

л ющих погрешности фазометра в первом канале дл  заданной рабочей частоты устройства занос тс  из вычислительного блока 11 в блок поправок 12. Описанные

операции выполн ютс  дл  всего динамического диапазона входных сигналов второго канала фазометра путем изменени  ослаблений , вносимых дискретным аттенюатором 5 от нул  до максимального значени .

Полученные при этом значени  амплитудных составл ющих погрешностей фазометра дл  второго канала (рс2, рс22, ..., рс2п) занос тс  из вычислительного блока 11 и заполн ютс  в блоке поправок 12.

Описанный режим калибровки может

выполн тьс  перед началом работы фазометра , а также повтор тьс  автоматически с заданным циклом, така  калибровка обеспечивает автоматическое измерение фазовых сдвигов аттенюаторов 2 и 5. а также амплитудных составл ющих погрешностей фазометра на рабочей частоте устройства. Данные величины запоминаютс  в блоке поправок 12 и в дальнейшем используютс  дл 

коррекции значений сдвига фаз, измеренных фазометром в рабочем режиме при известной частоте и измеренных амплитудах входных сигналов фазометра.

При этом в АЦП 14, 15 осуществл етс  преобразование входных сигналов в цифровые коды. Перемножение кодов значений измер емого сигнала на синусные и косинусные значени  кодов опорного сигнала,

хран щиес  в блоке 17 и суммирование результатов перемножени  производитс  блоками 18-21 соответственно. Результаты вычислени  занос тс  в регистры 22-25. По окончанию измерительного цикла устройства по сигналам управлени  от блока 26 в вычислительный блок 11 в соответствии с блок-схемой алгоритма его работы (см. фиг. 4) считываетс  измерительна  информаци  последовательно с регистров 22-25 (Ki, Кз).

Перемножители 18-21 затем устанавливаютс  в исходное (нулевое) состо ние сигналом от блока 26, а цикл измерени  повтор етс . Вычислительный блок 9 вычисл ет функцию арктангенса отношени  измеренных величин, т.е.

р arctg -р (5)р2. arctg - (б) К2К2

Аналогичным образом определ ютс  амплитудные составл ющие погрешности фазометра в 3,4 раза и т.д. до п точках ослаблени  аттенюатора 2 ($Рс13, ,..., еш)- Полученные значени  амплитудных состав

и определ ет фазовый сдвиг входных сигналов p .

Кроме измеренного фазового сдвига, в вычислительном блоке 11 вычисл етс  также уровень входного сигнала в первом и

втором каналах в соответствии с блок-схемой алгоритма (см. фиг. 4) по формулам

Ci- V(K i)2+(K|)2,

с2 (.

(7)

где Ki , K21 - коды чисел, накопленные, например в блоках 18, 19, соответственно.

Результат измерени  фазового сдвига входных сигналов фазометра вычисл етс  с учетом амплитудных составл ющих погрешностей при измеренных уровн х входных сигналов по формуле

()-()) (8)

где , рс2$ -амплитудныесоставл ющие погрешностей в первом и втором каналах фазометра при i-м и j-м уровн х входных сигналов устройства, хран щиес  в блоке поправок 12.

Коды отсчетов , Ci, €2 выдаютс  из вычислительного блока 11 на индикацию по окончанию измерительного цикла устройства . Блок синхронизации 16 обеспечивает синхронизацию работы блоков 14, 15, 17 по времени. Кроме описанной схемы, измеритель разности фаз может быть реализован по иной схеме.

Вычислительный блок 11 может быть реализован как на элементах жесткой (непрограммируемой ) логики, так и на основе микропроцессора по типовой структуре. Структурна  схема варианта вычислительного блока 11 приведена на фиг. 3. Дешифратор 30 обеспечивает выбор посто нного 28 или оперативного 29 запоминающих элементов , в которых хран тс  программы, константы или текуща  информаци  соответственно . Микропроцессорный модуль 27 выполн ет обработку и обмен информацией в соответствии с блок-схемой фиг. 4 и св зан с блоками 28-30 шиной адреса (ША) и информационной шиной данных (ШД), может иметь управл ющие выходы с сигналами Чтение и Запись дл  управлени  посто нным 28 и оперативным 29 запоминающими элементами соответственно Вывод (например, дл  вывода информации по шине ШД в индикаторным блок 30), вход Запрос прерывани  (дл  ввода информации в вычислительный блок 11).

Сигналы обращени  (вывода) со стороны вычислительного блока 11 к внешним блокам формируютс  путем дешифровани  кода адреса соответствующего регистра в дешифраторе 31 и конъюкции его выходных сигналов с сигналом Вывод в элементах И

39-45. По выходным сигналам элементов И 39-45 производитс  запись информации на микропроцессорного модул  27 в регистры 32-38. При реализации вычислительного

блока 11 на базе микропроцессора К 580 микропроцессорный модуль 27 состоит из трех БИС - центрального процессора К 580 ИК 80, системного контроллера К 580 ВК 28, тактового генератора К 580 ГФ 24. Регистры

0 22-25 могут быть выполнены, например, на микросхемах К 155 ИР 15, К 555 ИР 22,К 555 ИР 23 с трем  состо ни ми на выходе, что легко обеспечивает режим обмена информацией с вычислительным блоком 11.

5 Формирователь импульсов 26 выполн ет функции формировани  управл ющих сигналов, необходимых дл  организации обмена информацией мехсду перемножител ми 18-21, регистрами 22-25, вычисли0 тельным блоком 11. Блок поправок 12 и запоминающий блок 13 реализуютс  аналогично блоку 29. Коммутаторы 1, 4 могут быть выполнены, например, на pin - диодах или микросхемах КР590КНЧ. Таким образом,

5 благодар  новым элементам и св з м достигаетс  повышение точности предлагаемого фазометра за счет исключени  фазовых сдвигов, вносимых узлами преобразовани  (блоки 3, 6) при изменении в широких

0 пределах уровней входных сигналов, обеспечиваетс  работа стробоскопических преобразователей в режиме малых изменений уровней входных сигналов. В прототипе фазовые сдвиги, вносимые узлами и преобра5 зованные при изменении уровней входных сигналов, не учитываютс  в результате измерений и про вл ютс  в фазометре в виде фазовой погрешности. Известно, что узлы преобразователей при изменении уровней

0 входных сигналов внос т значительные по величине фазовые сдвиги. Это показывает, что фазовые сдвиги, вносимые преобразовател ми частоты при изменении уровней входных сигналов в 3-5 раз, достигают еди5 ниц градусов и сильно завис т от частотного дипазона работы устройства (частотных свойств транзисторов).

В предлагаемом устройстве дл  изменени  уровней входных сигналов, поступаю0 ЩИУ на вход, включаетс  дискретный управл емый аттенюатор. При этом аттенюатор вносит фазовые сдвиги величиной единицы градусов на частоте единицы гигогерц при ослаблении сигнала 40-60 дб, а с пони5 жением рабочей частоты вносимые на фазо- вые сдвиги сигналы уменьшаютс . Описанные элементы и св зи позвол ют в режиме калибровки фазометра определить фазовые сдвиги в преобразовател х дл  данной входной частоты фазометра во всем

динамическом диапазоне входных сигналов фазометра. В предлагаемом фазометре повышаетс  точность измерени  фазовых сдвигов по сравнению с прототипом за счет автоматического учета фазовых погрешностей преобразователей при изменении уровней входных сигналов фазометра в широких пределах.

Claims (1)

1. Формула изобретени  Фазометр по авт. св. № 969675, отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности измерени  в широком динамическом диапазоне входных сигналов, в него

   Пс/) чал

   Фие.2

   0

   дополнительно введены блок поправок, а в каждый канал - последовательно соединенные коммутатор и аттенюатор, выход которого соединен со стробоскопическим преобразователем соответствующего канала , входы управлени  коммутаторов и аттенюаторов соединены с вычислительным блоком, входы и выход которого соединены с блоком поправок и низкочастотным измерителем разности фаз, вход которого соединен с генератором импульсов, оба входа фазометра соединены с входами коммутаторов обоих каналов.

   5 А От блока 11

   Г Начало J

   Х.----«3 од значений кодов частоты зх.сигнала из блока 10

   Јсо::лрсв лпе xcj- да управлени  дт  блока 8

   Оотг лрог нге кодов у плавче ;гл | дл  блоков 1,2, 4,5

   В,1 зч-глеылп из блока 9

   .ОЛОЕ с 3

   -сгг, . Т /JTl I СГ

   дт: бюг.оз 1,3,

   ТЛЗвод значений кодов из блока 9

   Г.БОД значений кодов из блсзса 12

   Зич-лс.теи.19 Ч,

   ЙЗМ

   тс-. -гнх :-:а и д.г:сэд;ш