SU955519A2 - Аналого-цифровой преобразователь сдвига фаз - Google Patents

Description

Изобретение относится к аналогоцифровой технике и может быть исполь зовано в устройствах преобразования сдвига фаз двух электрических сигналов в цифровой код.

По основному авт. св. W 788376 известен аналого-цифровой преобразователь сдвига фаз, содержащий генератор образцовой частоты, два ключа периода и временного сдвига, два формирователя исследуемых сигналов, блок выбора режима, двоичный делитель частоты, состоящий из двух счетчиков и элементов И, блок функционального преобразования частотного сигнала, содержащий двоичный умножитель частоты, счетчик результата и блок задания начальных точек аппроксимации, причем выходы формирователей подключены к входам блока выбора режима, входы обоих ключей соединены с выходом генератора образцовой частоты, а управляющие входы - с первым и вторым выходами блока выбора режима, а выходы соответственно с входами первого и второго счетчиков, входы элементов И соединены с выходами первого счетчика, выходы - с входами второго ^: счетчика, а управляющие входы - со- ' 30 ответственно с третьим выходом блока выбора режима и выходом второго счетчика, вход блока функционального преобразования’.частотного сигнала соединен с выходом второго счетчика [1] .

Недостатком известного устройства является ограниченный диапазон преобразования в код малых сдвигов фаз из-за большой погрешности дискретности при цифровом измерении ко-. роткого интервала времени .

Цель изобретения - расшиерение диапазона преобразования в сторону малых сдвигов фаз при обеспечении требуемой погрешности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в аналого-цифровой преобразователь сдвига фаз, содержащий первый и второй счетчики, два формирователя, выходы которых подключены к вхрдам блока выбора режима, два ключа периода и временного ¹ сдвига, входы которых соединены с выходом генератора образцовой частоты, управляющие входы которых соединены с первым и вторым выходами блока выбора режима, а выходы соответственно с входами первого и второго счетчиков, входы пер3 вых элементов И соединены с выходами. первого счетчика, выходы - с входами второго счетчика, а управ- ₍ ляющие входы - соответственно с третьим выходом блока выбора режима и выходом второго счетчика, и блок функционального преобразования частотного сигнала, вход которого соединен с выходом второго счетчика, введены счетчик тактов, реверсивный счетчик, вторые элементы И, формирователь импульсов и три триггера, входы первого и второго триггеров соединены с выходами входных формирователей, выходы их подключены к входам третьего триггера, причем выход первого триггера через счетчик тактов и формирователь импульсов, соединен с блоком выбора режима и управляю' щим входом вторых элементов И, выходы последних подключены к входам первого счетчика, а входы через ре- . версивный счетчик - к выходам третьего триггера, выход генератора образцовой частоты соединен с третьим входом реверсивного счетчика.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства; на фиг. 2 - графики зависимости с;_х =f ( Т_х) ; на фиг. 3 временные диаграммы его работы.

Аналого-цифровой преобразователь сдвига фаз содержит генератор 1 образцовой частоты, формирователи 2 и 3 импульсов исследуемого и опорного сигналов, триггеры-4 - 6, ключ 7 временного сдвига, блок 8 выбора режима, ключ 9 периода, счетчик 10 тактов, формирователь 11 импульсов, реверсивный счетчик 12, вторые элементы И 13, двоичный делитель 14 частоты, состоящий из первого счетчика 15, первых элементов И 16, второго счетчика 17, а также блок 18 функционального преобразования частотного сигнала, состоящий из двоичного умножителя 19 частоты,блока 20 ’задания начальных точек аппроксимации и счетчика 21 результата.

Работа устройства при измерении малых сдвигов фаз основана на η цифровых измерениях сопрокасающихся интервалов времени (Т_х + ΐ_χ) и (Т\ -ΐ_χ) и вычитании последних из первых. Считая значение ηΐ_χ известным в функции его величины, осуществляют аппроксимацию гиперболической зависимости экспонен¹ х циальными участками. При преобразовании в код больших. сдвигов фаз осуществляют цифровое измерение одного интервала и, считая известным в функции его величины, производят аппроксимацию гиперболической зависимости Ч>,= 4-—- экспоненциальными участкаif

SO числа п, т.е. (M-n), числовая емкость учетчика 10 an - число периодов усредзависит от требуемой погрёш, оно равно 2*, ми, т.е. работа преобразователя в этом случае аналогична работе известного преобразователя.

Преобразователь работает следующим образом. ·

В исходном состоянии ключи 7 и 9 закрыты, счетчики 12 , 15 и 17 находятся в нулевом состоянии, в управляющий счетчик двоичного умножителя 19 частоты записывается некоторое число N_H, определяемое диапазоном и точностью аппроксимации, в счетчик 21 результата заносится число N_MaiiC г соответствующее максимальному значению измеряемого сдвига фаз q>_x .

На входы формирователей 2 и 3 импульсов поступают напряжения исследуемого U_x и опорного U_o сигналов. На выходе этих формирователей вырабатываются управляющие импульсы, время появления которых синфазно с моментами переходов напряжений и* и II₀ через нуль » (фиг. За,б).

При преобразовании малых сдвигов фаз в код блок 8 выбора режима закрывает ключ 7 временного сдвига на весь цикл измерения q_x, а в счетчик 10 тактов записывает дополнительный код где М тактов, нения и ности измерения (f, ₉2 ->3 ₇|ί *

В течение первого такта работы преобразователя производят усреднение η цифровых измерений интервалов времени 1_х . В этом случае при поступлении импульса напряжения U_x с выхода формирователя 2 по счетному входу срабатывает первый триггер 4 и на его нулевом выходе появляется 1 (фиг. Зв). С приходом импульса напряжения U_o с выхода формирователя 3 по счетному входу срабатывает второй триггер 5 и на его единичном выходе появлется 0 (фиг. Зг). Передним фронтом импульса триггер 4 перебрасывает в 1 третий триггер 6, а передним фронтом импульса триггера 5 он возвращается в исходное состояние (фиг. Зд}. Триггер б управляет суммирукхцим и вычитающим входами реверсивного счетчика 12. В течение времени Т_х + ί_χ реверсивный счетчик 12 работает на сложение и суммирует импульсы генератора 1 образцовой частоты (фиг. Зд) . В реверсивном счетчике 12 фиксируется число импульсов, равное

N< =(T_x+£_x)f₀, (О где Fо = /1 - частота генератора 1 образцовой частоты.

В течение интервала Т_х -?_х реверсивный счетчик 12 работает на вычи65 тание и из него вычитается число импульсов, равное

N₂ =(T_K-%)f₀ . (2)

Следовательно, за два периода Т_х исследуемого сигнала U_x в реверсивном счетчике 12 фиксируется число импульсов, равное n₃=n^-n₂, или с учетом выражений (1) и (2)

N, =2 ΐ_χ · f₀ .

За η периодов исследуемого сигнала в реверсивном.счетчике фиксируется число, равное

N_? =ni_x.f_Q. (3)

Число η фиксируется счетчиком 10 тактов путем суммирования выходных импульсов триггера 4. Так как в счетчике 10 тактов записано число (М-η), то при поступлении п импульсов сигнала U_x на выходе счетчика 10°тактов появляется импульс переполнения. По импульсу переполнения формирователь 11 импульсов вырабатывает импульс длительности 'К с t₀ на управляющий вход вторых элементов И 13 для переписи содержимого реверсивного счетчика 12 в первый счетчик 15, а также на блок 8 выбора режима для начала второго такта работы, в течение которого за интервал Т_х-?_х производится аппроксимация гиперболической зависимости φ_χ = ηΐ_χ/’Γ^τ _χ .

Для этой цели блок 8 выбора режима открывает ключ 9 периода на время (Т_х—ΐ_χ) и импульсы образцового генератора 1 через этот ключ поступают во второй счетчик 17 (фиг. Зе). При поступлении во второй счетчик 17 числа импульсов частоты f₀, равного N £, на его выходе формируется импульс частоты , который поступает на двоичный умножитель 19 частоты. Одновременно по этому импульсу через первые элементы И 16 число ,Nj из первого счетчика 15 в обратном коде переписывается во второй счетчик 17, т.е. в последний, заносится число (Np-N?), где N_o - числовая емкость каждого из счетчиков 15 и

17. Следовательно, на выходе двоичного делителя 14 частоты формируется импульс с частотой· = *b/

Учитывая выражение (3) частота

Импульсы частоты f₄ поступают на вход блока 18 функционального преобразователя частотного сигнала. В качестве узла, воспроизводящего экспоненциальную частоту в функции времени t, используется двоичный умножитель 19 частоты, охваченный отрицательной обратной связью, частота импульсов на выходе которого определится как jp f (t) » (*) где N_CI| - числовая емкость управляющего счетчика двоичного умножителя, t - текущее время.

Импульсы частоты f(t) с двоичного умножителя 19 частоты (фиг. Зж) в течение интервала Т_х -:?_х поступают на входы счетчика 21 результата. Число импульсов,зафиксированное счетчиком 21 результата, к концу интервала Т_х - ΐ_χ представляется следующим образом:

Т_х ⁼^маке ~ f(t)dt.

Подставив в это соотношение значение частоты f(t) из выражения (4), получим - <

W^N^e’^-e’y⁴]· . <⁵⁾

При накоплении в счетчике 21 результата заранее заданного числа импульсов, соответствующих одной из начальных точек аппроксимации, блок 20 задания начальных точек аппроксимации переводит двоичный умножив тель 19 в новое состояние N, соответствующее началу аппроксимирования нового участка гиперболической функции . Из выражения (5) виД^о, что выбирая соответствующим образом значения N_M01(C и N_c4 , можно получать код сдвига фаз непосредственно в градусах или радианах. Путем переноса запятой в счетчике 21 результата влево на k-log^n разрядов осуществляется деление числа N_Bb)XHa η. Поэтому окончательный результат цифрового кодЦ равен измеряемому значению сдвига фаз (|_х .

При измерении больших сдвигов фаз производят однократное измерение в течение одного периода Т_х интервала ΐχ , а затем в течение промежутка Т_х- ΐ_χ , считая интервалах известным в функции его величины, осуществляют аппроксимацию ’ гиперболической завйсймости φ_χ = экспоненциальными участками. Для этой цели блок 8 выбора режима выдает запрещающий сигнал на формирователь 11 импульсов и открывает ключ 7 временного сдвига на интервал ΐ_χ , пропорциональный измеряемому сдвигу фаз. ц _х . За время открытого состояния ключа 7 на вход счетчика 15 поступает число импульсов = t_xf₀. Одновре7

Я менно с закрытием ключа 7 блок 8 ¹ выбора режима вырабатывает сигнал на открытие ключа 9 периода и сигнал на первые элементы И 16, по которому число из первого счетчика 15 переписывается в обратном '5 коде во второй счетчик 17.

Дальнейшая работа преобразователя аналогична работе при измерении малых сдвигов фаз. В этом случае измерение сдвига фаз производит- ю ся за один период исследуемого сигнала, что позволяет уменьшить динамическую погрешность измерения Ц_х.

Таким образом, при измерении малых,, сдвигов фаз Ср_х повышается точ- 15 ность измерения Ч_х за счет уменьшения погрешности дискретности, так как осуществляется цифровое измерение интервалов (Т _х + ΐ_χ ) и (Тх — С_х) , а не интервала Έ _х Т_х. 2Q

Claims (1)

1. вых элементов И соединены с выхода ми, первого счетчика, выходы - с входами второго счетчика, а управл ющие входы - соответственно с третьим выходом блока выбора режима и выходом второго счетчика, и блок функционального преобразовани  частотного сигнала, вход которого соединен с выходом второго счетчика, введены счетчик тактов, реверсивный счетчик, вторые элементы И, формирователь импульсов и три триггера, входы первого и второго триггеров соеди нены с выходами входных формирователей, выходы их подключены к входам третьего триггера, причем выход первого триггера через счетчик тактов и формирователь импульсов, соединен с блоком выбора режима и управл ющим входом вторых элементов И, выходы последних подключены к входам первого счетчика, а входы через ре версивный счетчик - к выходш трет его триггера, выход генератора .образцовой частоты соединен с третьи входом реверсивного счетчика. На фиг. 1 приведена структурна  схема устройства; на фиг. 2 - граф ки зависимости (Tx)r на фиг. 3 временные диаграммы его работы. АНсШого-цифровой преобразовател сдвига фаз содержит генератор 1 о разцовой частоты, форглирователи 2 и 3 импульсов исследуемого и опорн го сигналов, триггеры-4 - 6,. ключ временного сдвига, блок 8 выбора режима, ключ 9 периода, счетчик 10 тактов, формирователь 11 импульсов реверсивный счетчик 12, вторые эле менты И 13, двоичный делитель 14 частоты, состо щий из первого счет чика 15, первых элементов И 16, вт рого счетчика 17, а также блок 18 функционсшьного преобразовани  час ного сигнала, состо щий из двоичного умножител  19 частоты,блока 20 задани  начальных точек аппроксимации и счетчика 21 результата. Работа устройства при измерении малых сдвигов фаз основана на п цифровых измерени х сопрокасающихс  интервалов времени (Т + С) и х) и вычитании последних из первых. Счита  значение nt, известHbjM в функции его величины, осувдес двл ют аппроксимацию гиперболичес кой зависимости tf х Д экспонен циальными участками. При преобразовании в код больши сдвигов фаз осуществл ют цифровое измерение одного интервала f x-i и, счита  известным в функции его вел чины, производ т аппроксимацию гиперболической зависимости u) -i« экспоненциальными участка TV ми, т.е. работа преобразовател  в этом случае аналогична работе известного преобразовател . Преобразователь работает следующим образом. В исходном состо нии ключи 7 и 9 закрыты, счетчики 1.2 , 15 к 17 наход тс  в нулевом состо нии, в управл ющий счетчик двоичного умножител  19 частоты записываетс  некоторое число N, определ емое диапазоном и точностью аппроксимации, в счетчик 21 результата заноситс  число г соответствующее максимальному значении измер емого сдвига фаз ср . На входы формирователей 2 и 3 импульсов поступают напр жени  исследуемого и и опорного UQ сигналов . На выходе этих формирователей вырабатываютс  управл ющие импульсы, врем  по влени  которых синфазно с моментами переходов напр жений и и и о через нуль (фиг. За,б). При преобразовании малых сдвигов фаз в код блок 8 выбора режима закрывает ключ 7 временного сдвига на весь цикл измерени  qi , а в счетчик 10 тактов записывает дополнительный код числа п.т.е. (М-п), где М - числова  емкость }четчика 10 тактов, an - число периодов усреднени  и зависит от требуемой погрешности измерени  tf, , оно равно 2, 022 2 f.,f.,,,,fi., В течение первого такта работы преобр азовател  производ т усреднение п цифровых измерений интервалов времени ц . В этом случае при поступлении импульса напр жени  U с выхода формировател  2 по счетному входу срабатывает первый триггер 4 и на его нулевом выходе по вл етс  1 (фиг. Зв). С приходом импульса Напр жени  Up с выхода формировател  3по счетному входу срабатывает второй триггер 5 и на его единичном выходе по влетс  О (фиг. Зг). Передним фронтом импульса триггер 4 перебрасывает в 1 третий триггер б, а передним фронтом импульса триггера 5 он возвращаетс  в исходное состо ние (фиг. Зд. Триггер б управл ет суммирующим и вычитающим входами реверсивного счетчика 12. В течение времени Т|(+ f реверсивный счетчик 12 работает на сложение и суммирует импульсы генератора 1 образцовой частоты (фиг. Зд). В реверсивном счетчике 12 фиксируетс  число импульсов , равное (Ту + х)л, где fд - частота генератора 1 образцовой частоты. В течение интервала Т -Т реверсивный счетчик 12 работает на вычитание и из него вычитаетс  число импульсов, равное (T. Следовательно, за два периода Т исследуемого сигнала U в ревер сивном счетчике 12 фиксируетс  числ импульсов, равное N, , ИЛИ с учетом выражений (1) и (2) N, 2,. f . За п периодов исследуемого сигна ла в реверсивном.счетчике фиксирует с  число, равное N nt,.f. Число п фиксируетс  счетчиком 10 тактов путем )мировани  выходных импульсов триггера 4. Так как в счетчике 10 тактов записано число (М-п), то при поступлении п импульсов сигнала Uy на выходе счетчи ка Ю тактов по вл етс  импульс пер полнени . По импульсу переполнени  формирователь 11 импульсов вырабатывает импульс длительности -  : t на управл ющий вход вторых элементо И 13 дл  переписи содержимого ревер сивного счетчика 12 в первый счетчи 15, а также на блок 8 выбора режима дл  начала второго такта работы, в течение которого за интервал производитс  аппроксимаци  гиперболической зависимости (f х fx/fx . Дл  этой цели блок 8 выбора ре .жима открывает ключ 9 периода на врем  () и импульсы образцовог генератора 1 через этот ключ поступают во второй счетчик 17 (фиг. Зе) При поступлении во второй счетчик 17 числа импульсов частоты fp, равного N , на его выходе формируетс  импульс частоты f , который поступает на двоичный умножитель 19 частоты . Одновременно по этому импульсу через первые элементы И 16 число .NJ из первого счетчика 15 в обратно коде переписываетс  во второй счетчик 17, т.е. в последний, заноситс  число (Np-N), где NO - числова  емкость каждого из счетчиков 15 и 17. Следовательно, на выходе двоичного делител  14 частоты Формируетс  импульс с частотой- f ° Учитыва  выражение (3) частота /.-., Импульсы частоты f поступают на вход блока 18 функционального преобразовател  частотного сигнала. В качестве узла, воспроизвод щего экспоненциальную частоту в функции времени t, используетс  .двоичными умножитель 19 частоты, охваченный отрицательной обратной св зью, частота импульсов на выходе которого определитс  как где Nj. - числова  емкость управл ющего счетчика двоичного умножител , t - текущее врем . Импульсы частоты f(t) с двоичного умножител  19 частоты (фиг. Зж) в течение интервала Т -.i поступают на входы счетчика 21 результата. Число импульсов,зафиксированное счетчиком 21 результата, к концу интервала Т - представл етс  следующим образом: .., „. Подставив в это соотношение значение частоты f(t) из выражени  (4), получим Ту J , t,g-Nc4J (5) NB«..c N; e При накоплении в счетчике 21 результата заранее заданного числа импульсов, соответствующих одной из начальных точек аппроксимации, блок 20 задани  начальных точек аппроксимации переводит двоичный умножи тель 19 в новое сосГто ние Nj,, соответствующее началу аппроксимировани  нового участка гиперболической функции . Из выражени  (5) ътл&amp;ло, что выбира  соответствующим образом значени  ,с сч можно получать код сдвига фаз непосредственно в градусах или радианах. Путем переноса зап той в счетчике 21 результата влево на ,2 разр дов осуществл етс  деление числа п. Поэтому окончательный результат цифрового КОД&amp; равен измер емому значению сдвига фаз При измерении бо цьших сдвигов фаз производ т однократное измерение в течение одного периода Т интервала I , а затем в течение промежутка Т,- t , счита  интервалах известным в функции его величины, осуществл ют аппроксимацию гиперболической за ВЙСЙМОСТИ tf ЭКСПОНеНЦИсШЬНЫМИ участками. Дл  этой цели блок 8 выбора режима выдает запрещающий сигнёш на формирователь 11 импульсов и открывает ключ 7 временного сдвига на интервал tx , пропорциональный измер емому сдвигу фаз. cf . За врем  открытого состо ни  ключа 7 на вход счетчика 15 поступает число импульсов N Одновременно с закрытием ключа 7 бл 8 выбора режима вырабатывает сигнал на открытие ключа 9 периода и сигнал на первые элементы И 16, п которому число Nf из первого счетчика 15 переписываетс  в обратном коде во второй счетчик 17. Дальнейша  работа преобразовател аналогична работе при измерении малых сдвигов фаз. В этом случае измерение сдвига фаз ( производитс  за один период исследуемого сигнала , что позвол ет уменьшить динамическую погрешность измерени  (f . Таким образом, при измерении малых ,, сдвигов фаз Ср повышаетс  точность измерени  Ц за счет уменьшени  погрешности дискретности, так как осуществл етс  цифровое измерение интервалов (Тд t ) и (Тх -fx а не интервала (: f . Формула изобретени  Аналого-цифровой преобразователь сдвига фаз по авт. св. 788376, отличающийс  тем, что, с целью расширени  диапазона преобразовани  в сторону малых сдвигов фаз, в него введены счетчик тактов, реверсивный счетчик, вторые элементы И, формирователь импульсов и три триггера, входы первого и второго триггеров соединены с выходами входных формирователей, выходы их подключены к входам третьего триггера , причем выход первого триггера через счетчик тактов и формирователь импульсов соединен с блоком выбора режима и с управл ющим входом вторых элементов и, выходы последних подключены к входам первого счетчика , а входы через реверсивный счетчик - к выходам третьего триггера, выход генератора образцовой частоты соединен с третьим входом реверсивного счетчика. I Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР № 788376, кл. Н 03 К 13/20, 30.01.7-9.