ФАЗОМЕТР
PHASEMETER

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться в радиотехнике и других отраслях промышленности для прецизионного измерения разности фаз пары сигналов, и ее изменения во времени.
Прецизионное измерение разности фаз пары сигналов необходимо при создании лазерных и радиочастотных измерителей вибраций и перемещений, где малые изменения фазы несут информацию об исследуемых процессах. Сигнал на входе фазометра - чаще всего гармонический. Разность фаз Δφ(t) изменяется во времени и должна быть измерена с высокой точностью в широкой полосе частот.
Известны высокочастотные широкополосные фазометры различных конструкций, измеряющие разность фаз двух гармонических сигналов.
Например, известен фазометр, включающий: двухканальный гетеродинный преобразователь, два аналого-цифровых преобразователя (АЦП); времязадающее средство, средство сбора и обработки данных [В.А. Жмудь, Д.О. Терешкин. Факторы, ограничивающие быстродействие цифрового фазометра с гетеродинным преобразованием частоты. Автоматика и программная инженерия. 2014. 3(9), с.89-94. с.90, рис.1, http://www.jumal.nips.ru/sites/default/files/AИПИ-3-2014-10.pdf].
1
2
0
0
1
1
0
1
1
Гетеродинный преобразователь фазометра содержит генератор, два смесителя и два фильтра низких частот. Этот фазометр работает следующим образом. Входные сигналы Uи U высокой частоты поступают на входы гетеродинного преобразователя. Каждый из сигналов на своем смесителе умножается на сигнал с выхода генератора, результат умножения на выходе смесителей пропускается через соответствующий фильтр низких частот. На выходе каждого из фильтров формируется сигнал разностной частоты, при этом разность фаз этих сигналов равна разности фаз входных сигналов. Таким образом, гетеродинный преобразователь понижает частоту входных сигналов, сохраняя их разность фаз. Это позволяет привести в соответствие измеряемую частоту с тем значением, которое наилучшим образом соотносится с рекомендуемой частотой преобразования аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Это позволяет обеспечить нужное соотношение частот, а именно: частота сигналов на выходах гетеродинного преобразователя ω приблизительно в четыре раза меньше, чем частота ω преобразования АЦП. Эти сигналы с выходов гетеродинного преобразователя поступают на входы АЦП. Получая четыре отсчета на период своей входной частоты ω, каждый из двух АЦП, таким образом, формирует серию отсчетов, каждый из которых сдвинут по фазе на четверть периода входной частоты АЦП. Получаемые отсчета АЦП совместно с сигналами от времязадающего средства поступают на вход средства сбора и обработки данных. Этим средством может быть, например, персональный компьютер. Это средство сбора и обработки данных обрабатывает далее получаемые сигналы по известному алгоритму, вычисляя разность фаз. Например, попарно вычитая четные и нечетные отсчеты, средство сбора и обработки данных может вычислять разностные отсчеты, которые равны удвоенным значениям когерентной и квадратурной компонент сигнала разностной частоты. При этом разностной частотой является разница между частотой входного сигнала и одной четвертью частоты преобразования: Δω=ω-ω/4. Далее для обеспечения высокой точности указанные разностные отсчеты преобразуются в отсчеты, привязанные к одинаковым моментам времени. А именно, для этого следует получить две последующие разности таких сигналов и осуществить их алгебраическое сложение с различными коэффициентами - одна из разностей берется с коэффициентом 3, а другая из разностей берется с коэффициентом 5. Таким образом, для получения первого отсчета фазы требуется получение четырех разностных отсчетов: по два на когерентную и на квадратурную компоненты. Иными словами, эта задержка равна времени для получения восьми исходных последующих отсчетов АЦП от их входного сигнала, частота которого равна ω. Недостатком этого фазометра является недостаточное быстродействие, связанное с тем, что для получения первого отсчета разности фаз требуется получение восьми отсчетов сигналов на входах АЦП, то есть задержка составляет два периода частоты ω, поскольку эта частота в четыре раза меньше частоты ω преобразования АЦП.
Наиболее близким к заявляемому фазометру является фазометр, принятый за прототип, включающий: двухканальный гетеродинный преобразователь, два аналого-цифровых преобразователя (АЦП), два канала обработки сигналов, времязадающее средство, средство сбора и обработки данных; при этом два входа гетеродинного преобразователя являются входами устройства, каждый из двух выходов гетеродинного преобразователя соединен через соответствующий АЦП с входом соответствующего канала обработки сигналов, каждый канал обработки сигналов соединен обоими выходами с входами средства сбора и обработки данных, времязадающее средство соединено своим выходом с тактовыми входами обоих АЦП, а также с тактовыми входами обоих каналов обработки сигналов и с тактовым входом средства сбора и обработки данных; каждый канал обработки данных содержит восемь последовательно соединенных регистров и два алгебраических сумматора с четырьмя входами, причем на каждом из входов имеется множительный коэффициент, равный трем или пяти со знаком плюс или минус; при этом вход первого сумматора является входом канала обработки данных и каждые выходы первого, третьего, пятого и седьмого регистров соединены с входами первого сумматора с коэффициентами соответственно плюс три, минус три, плюс пять и минус пять, выходы второго, четвертого, шестого и восьмого регистров соединены с входами второго сумматора с коэффициентами соответственно плюс пять, минус пять, плюс три и минус три; тактовый вход каждого канала обработки сигналов подключен к тактовым входам всех регистров и обоих сумматоров внутри каждого канала обработки сигналов [В.А. Жмудь, Д.О. Терешкин. Факторы, ограничивающие быстродействие цифрового фазометра с гетеродинным преобразованием частоты. Автоматика и программная инженерия. 2014. 3(9), с.89-94. с.91, рис.1. http://www.iumal.nips.ru/sites/default/files/АИПИ-3-2014-10.pdf]. Этот фазометр работает следующим образом.
1
2
1
0
1
1
0
3
4
n
0
Входные сигналы фазометра U и U поступают на входы гетеродинного преобразователя, который переносит их частоту на новую несущую частоту ω тем способом, который описан выше, обеспечивая описанное выше соотношение между частотой преобразования ω и полученной несущей частотой ω, то есть: Δω=ω-ω/4. Сигналы U и U, получаемые на выходах гетеродинного преобразователя, поступают на входы АЦП и преобразуются в цифровые отсчеты в моменты времени t, задаваемые времязадающим устройством. АЦП формируют цифровые отсчеты значений входных сигналов с частотой следования ω. Эти отсчеты поступают на входы соответствующих каналов обработки сигналов.
1
0
1
2
0
0
Каждый из каналов обработки сигналов преобразует последовательности этих отсчетов, поступающих от АЦП, в новые последовательности отсчетов, соответствующие когерентной X и квадратурной Y компонентам разностной частоты Δω=ω-ω/4. При этом фаза когерентной компоненты X равна разности фаз входного сигнала U (или U) и опорного сигнала U от генератора, входящего в состав гетеродинного преобразователя. Фаза квадратурной компоненты Y отличается на π/2 от фазы когерентной компоненты. Частота следования отсчетов когерентной и квадратурной компонент на выходе каналов обработки равна ω/4.
Рассмотрим работу одного канала. С целью вычисления искомых когерентной и квадратурной компонент каждый канал вычисляет следующие сигналы:
k
Здесь u - выходной сигнал регистра с номером к, считая от первого.
Обоснование для этих соотношений дано из простой геометрической интерпретации, которая состоит в следующем. Сдвиг на четверть периода в гармоническом сигнале эквивалентен сдвигу фазы на 90 градусов. Сдвиг на 90 градусов преобразует синус в косинус, поэтому если первый отсчет считать отсчетом когерентной компоненты аналитического сигнала, то второй отсчет можно считать отсчетом квадратурной компоненты аналитического сигнала. Сдвиг на 180 градусов преобразует синус в минус синус, а косинус в минус косинус, поэтому третий отсчет можно считать отсчетом когерентной компоненты со знаком минус, четвертый отсчет можно считать отсчетом квадратурной компоненты со знаком минус. Вычитание из первого отсчета третьего и из второго отсчета четвертого дает удвоенную когерентную и квадратурную компоненты соответственно. При этом из результата устраняется смещение АЦП, что снижает зависимость точности от смещения и от низкочастотных шумов. Отсчеты с номерами 5, 6, 7 и 8 повторяют эту закономерность для последующего периода. Поэтому разности в скобках соотношений (1) и (2) соответствуют удвоенным отсчетам когерентной и квадратурной компонент. По времени эти отсчеты привязаны к середине отрезков времени между временами получения вычитаемых отсчетов. Коэффициенты три и пять обоснованы из геометрических соотношений, а именно если требуется привязать два отсчета к единой точке времени, следует сложить их с коэффициентами, пропорциональными удалению во времени этих отсчетов. Таким образом, каждый из каналов обработки сигналов вычисляет когерентные и квадратурные отсчеты сигналов разностной частоты, которые попарно привязаны к одному и тому же моменту времени.
Пара когерентной и квадратурной компонент {X, Y} называется аналитическим сигналом, для вычисления его фазы имеются простые соотношения. Эти пары сигналов от каждого канала обработки сигналов поступают на входы средства сбора и обработки данных, которое вычисляет фазы каждого из аналитических сигналов по известному соотношению:
0
1
Недостатком этого фазометра является недостаточное быстродействие. Как видно из соотношений (1) и (2), для получения первого отсчета фазы требуется получение восьми последовательных отсчетов, что дает задержку на четыре периода частоты ω, то есть два периода частоты ω.
Задачей (техническим результатом), на решение которой направлено изобретение, является повышение быстродействия фазометра.
Поставленная задача решается тем, что предлагается фазометр с гетеродинным преобразователем частоты, включающий: двухканальный гетеродинный преобразователь, два аналого-цифровых преобразователя (АЦП), два канала обработки сигналов, времязадающее средство, средство сбора и обработки данных; при этом два входа гетеродинного преобразователя являются входами устройства, каждый из двух выходов гетеродинного преобразователя соединен через соответствующий АЦП с входом соответствующего канала обработки сигналов, каждый канал обработки сигналов соединен обоими выходами с входами средства сбора и обработки данных, времязадающее средство соединено своим выходом с тактовыми входами обоих АЦП, а также с тактовыми входами обоих каналов обработки сигналов и с тактовым входом средства сбора и обработки данных; каждый канал обработки данных содержит восемь регистров, выход пятого регистра соединен с входом шестого регистра, выход седьмого регистра соединен с входом восьмого регистра, тактовый вход каждого канала обработки сигналов подключен к тактовым входам всех регистров, отличающееся тем, что в каждый канал обработки сигналов введены коммутатор, два вычитателя и два сумматора, причем вход коммутатора является входом канала обработки сигналов, его четыре выхода соединены с первыми четырьмя регистрами, причем выходы первого и третьего регистров соединены с входами первого вычитателя, выходы второго и четвертого регистров соединены с входами второго вычитателя, выходы первого и второго вычитателя соединены соответственно с входами пятого и седьмого регистров, выходы пятого и шестого регистров соединены с входами первого сумматора, а выходы седьмого и восьмого регистров соединены с входами второго сумматора, выходы сумматоров являются выходами каналов обработки сигналов.
Схема предлагаемого устройства показана на фиг. 1.
Схема предлагаемого канала обработки сигналов показана на фиг. 2.
Эпюры сигналов в одном из каналов обработки сигналов показаны на фиг. 3.
На фиг. 1:
1 - гетеродинный преобразователь, 2 и 3 - АЦП, 4 - времязадающее средство, 5 и 6 - каналы обработки сигналов, 21 - восьмой регистр, 7 - средство сбора и обработки данных.
На фиг. 2:
8 - коммутатор, 9-16 - регистры, 17, 18 - вычитатели, 19, 20 - сумматоры.
Гетеродинный преобразователь может быть выполнен на электронной аналоговой технике.
Времязадающим средством может служить таймер.
АЦП могут быть выполнены на специализированных микросхемах или могут быть использованы готовые АЦП в виде отдельных плат с монтированными на них всеми необходимыми компонентами, имеющиеся в продаже, например фирмы Analog Devices.
Канал обработки сигналов может быть выполнен аппаратно на цифровых микросхемах или программно-аппаратно на цифровом контроллере.
Средством сбора и обработки данных может служить персональный компьютер.
Предлагаемый фазометр с гетеродинным преобразованием работает следующим образом.
1
2
1
0
1
1
0
3
4
n
0
Гетеродинный преобразователь может быть выполнен так же, как в прототипе, и может работать так же, как в прототипе. А именно: входные сигналы фазометра U и U поступают на входы гетеродинного преобразователя, который переносит их частоту на новую несущую частоту ω тем способом, который описан выше, обеспечивая описанное выше соотношение между частотой преобразования ω и полученной несущей частотой ω, то есть: Δω=ω-ω/4. Сигналы U и U, получаемые на выходах гетеродинного преобразователя, поступают на входы АЦП и преобразуются в цифровые отсчеты в моменты времени t, задаваемые времязадающим устройством. АЦП формируют цифровые отсчеты значений входных сигналов с частотой следования ω. Эти отсчеты поступают на входы соответствующих каналов обработки сигналов.
1
0
1
2
0
0
Каждый из каналов обработки сигналов работает таким образом, что в результате каждый канал обработки сигналов преобразует последовательности отсчетов, поступающих от АЦП, в новые последовательности отсчетов, соответствующие когерентной X и квадратурной Y компонентам разностной частоты Δω-ω-ω/4. При этом фаза когерентной компоненты X равна разности фаз входного сигнала U (или U) и опорного сигнала U от генератора, входящего в состав гетеродинного преобразователя. Фаза квадратурной компоненты Y отличается на π/2 от фазы когерентной компоненты. Частота следования отсчетов когерентной и квадратурной компонент на выходе каналов обработки равна ω/4.
11
12
13
14
Рассмотрим работу одного канала обработки сигналов, схема которого показана на фиг. 2. Отсчеты сигнала с выхода АЦП 2 в виде параллельного кода поступают на коммутатор 8. Также на коммутатор поступают тактовые сигналы от времязадающего средства 4, что определяет циклы работы коммутатора 8. Этот коммутатор 8 в каждом новом цикле коммутирует параллельный код, поступающий на его вход на очередной регистр, начиная с первого регистра 9, заканчивая четвертым регистром 12, после чего опять коммутирует входной параллельный код на первый регистр 9 и так далее в цикле. Таким образом, в регистры, с первого регистра 9 по четвертый регистр 12, записываются новые значения соответственно первого, второго, третьего и четвертого кодов, формируемых АЦП 2. Обозначим эти коды соответственно u, u, u, u. Первый индекс означает номер периода входного сигнала, второй индекс от одного до четырех означает номер отсчета в пределах этого периода и одновременно порядковый номер регистра. Вычитатель 17 вычитает из кода с выхода первого регистра 9 код с выхода третьего регистра 11 и выдает результат на вход пятого регистра 13. Вычитатель 18 вычитает из кода с выхода второго регистра 10 код с выхода четвертого регистра 12 и выдает результат на вход седьмого регистра 15.
1
11
13
1
12
14
11
21
12
22
Таким образом, после четырех циклов отсчета АЦП, в пятом регистре 13 записана разница первого и третьего кодов V=u-u, а в седьмом регистре 15 записана разница второго и четвертого кодов W=u-u.С началом второго периода постепенно регистры с первого по четвертых обновляют свои значения, а именно: сначала в первом регистре вместо кода u появляется код u, затем во втором вместо кода u появляется код u, и так далее. С каждым новым циклом коды из пятого и седьмого регистров перемещаются в шестой и восьмой регистры соответственно. Выходные коды пятого и шестого регистров суммируются первым сумматором и поступают к средству сбора и обработки данных в виде отчета когерентной компоненты разностной частоты. Также выходные коды седьмого и восьмого регистров суммируются вторым сумматором 20 и поступают в средство сбора и обработки данных в виде отсчета квадратурной компоненты разностной частоты. Обновление данных в каждом из регистров с первого по четвертый осуществляется один раз за четыре такта. Поэтому обновление результата суммирования на выходах вычитателей 17 и 18 осуществляется один раз за два такта: сначала за счет изменения данных на одном из регистров, который выдает свои коды на один из входов этого вычитателя, затем за счет изменения кодов на другом регистре, и так далее. Поэтому в пятом и седьмом регистрах коды обновляются один раз за два цикла. Эти коды движутся из пятого регистра в шестой, а из седьмого - в восьмой. Поскольку сумматоры суммируют коды пятого и шестого регистра и коды седьмого и восьмого регистров, то к средству сбора и обработки данных поступают следующие суммы (жирным шрифтом выделены вновь появившиеся коды):
Пока коды от АЦП в регистры не занесены на выходах регистров могут быть, например, нулевые значения, как показано в соотношениях (4)-(7). Как видим, начиная с пятого отчета, соотношение (7), вместо нулей появляются необходимые коды, поэтому все суммы подсчитываются с использованием кодов, которые к этому времени уже получены в результате работы АЦП. Следовательно, после пяти циклов работы АЦП уже получается первый отсчет когерентной и квадратурной компонент сигнала разностной частоты.
11
12
13
14
21
22
23
24
1
0
11
13
11
13
12
11
13
13
21
13
1
12
14
13
1
Поясним, почему соотношения (4)-(11) могут быть использованы для вычисления когерентной и квадратурной компонент. Для этого воспользуемся эпюрой сигналов, показанной на фиг. 3. Сигнал 21 представляет собой гармонический сигнал, поступающий на вход АЦП 2. Там же показаны отсчеты значений этого сигнала, получаемые четыре раза на один период. Для ясности каждый отсчет пронумеруем следующим образом: первые четыре отсчета имеют первым индексом единицу, второй индекс меняется от одного до четырех: u, u, u, u.  Следующие четыре отсчета будут отличаться тем, что первый индекс равен двум, и так далее: u, u, u, u. Получаемые отсчеты соответствуют значению синуса разностной частоты Δω=ω-ω/4, при этом фаза каждого последующего отсчета увеличивается на четверть периода, то есть на 90 градусов. Вследствие того, что сдвиг фазы на 180 градусов эквивалентен инвертированию сигнала, разница двух отсчетов, отстоящих на половину периода, равна удвоенному значению отсчета когерентной компоненты, взятого с наименьшим сдвигом и со знаком плюс. То есть u-u≈2V. При этом точное время привязки этого значения соответствует середине между временами взятия отсчета u и u, что следует из линейной интерполяции предположительного изменения сигнала разностной частоты. Для указанной пары это время соответствует времени получения отсчета u Если теперь вычислить сумму двух таких последовательных разностей, то получим учетверенное значение сигнала разностной частоты: (u-u)+(u-u)≈4V, причем эта сумма будет привязана по времени к середине отрезка между соответствующими временами этих отсчетов, то есть в данном случае - к моменту взятия отсчета U. Это является обоснованием для вычисления когерентной компоненты V. Чтобы получить значение отсчета квадратурной компоненты W сигнала разностной частоты, следует осуществить вычитание четных отсчетов u-u≈2W. Этот результат привязан ко времени взятия отсчета u. Поэтому для получения квадратурной компоненты для этого момента времени с таким же коэффициентом, равным четырем, достаточно просто удвоить этот результат. Это является обоснованием для вычисления когерентной компоненты W. Приведенными рассуждениями обосновывается соотношение (8). Далее можно осуществить сдвиг на один отсчет влево (по времени вперед) и повторить те же рассуждения, при этом когерентная и квадратурная компоненты поменяются местами, то есть когерентная компонента будет вычисляться из двух отсчетов удвоением разницы, а квадратурная компонента - из трех отсчетом суммированием двух разностей. Для наглядной иллюстрации на фиг. 3 наряду с сигналом 21 показаны результаты обработки этого сигнала, а именно: сигнал 22 - это последовательность разностей четных и нечетных пар сигнала 21, а сигнал 22 - это результат вычисления двойных сумм и удвоенных разностей. Пунктирными стрелками показано, какие отсчеты сигнала 21 дают результат в сигнале 22 и далее в сигнале 23.
1
В итоге каждый канал обработки данных позволяет получить первый отсчет когерентной и квадратурной компонент сигналов разностной частоты, привязанных к одному и тому же времени, после получения пятого отсчета АЦП 2. Далее новая пара сигналов получается с каждым новым значением отсчета сигнала АЦП 2. Поэтому рассмотренный предлагаемый фазометр с гетеродинным преобразованием частоты позволяет получить отсчеты разностной частоты с задержкой только на пять четвертых периода входной частоты ω. В сравнении с прототипом это является повышением быстродействия, поскольку прототип позволяет получить отсчеты с задержкой на два целых периода этой входной частоты.
Повышение быстродействия достигается тем, что в предлагаемых каналах обработки сигналов получение первого отсчета фазы осуществляется в результате получения не восьми, а только лишь пяти отсчетов АЦП. Поэтому время, требуемое на вычисление разности фаз, меньше на три восьмых, то есть на 37,5%.
Таким образом, предлагаемое изобретение решает задачу повышения быстродействия.
Все устройство может быть полностью реализовано на сигнальном процессоре, например, на процессоре фирмы Altera [NCO MegaCore Function. User Guide. http://www.altera.corn/literature/ug/ug_nco.pdf], использующим АЦП типа ADC6645, имеющим 14 разрядов и работающим на тактовой частоте 100 МГц. Средством сбора и обработки данных может служить, например, микроконтроллер или сигнальный процессор, содержащий решающее устройство (процессор), оперативную память (для хранения данных и результатов) и постоянную память (для хранения программ и констант) в стандартной конфигурации. Сумматоры, вычитатели и регистры могут быть, например, реализованы на цифровых микросхемах или на специальном контроллере. Эта процедура также может быть выполнена программно.
Такое выполнение фазометра обеспечивает повышение его быстродействия.