ФАЗОМЕТР С ГЕТЕРОДИННЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ЧАСТОТЫ
PHASE METER WITH HETERODYNE FREQUENCY CONVERSION

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться в радиотехнике, метрологии и других отраслях промышленности для прецизионного измерения разности фаз пары сигналов и ее изменении во времени.
НЧ
НЧ
-5
-4
Задача прецизионного измерения разности фаз пары сигналов стоит при создании лазерных и радиочастотных измерителей вибраций и перемещений, где малые изменения фазы несут информацию об исследуемых процессах. Сигнал на входе фазометра - гармонический. Разность фаз Δφ(t) изменяется во времени таким образом, что содержит большую низкочастотную компоненту φ(t) и малую высокочастотную компоненту δφ. Информация содержится в виде фазовых девиаций на уровне δφ∈[2π·10…2π·10]. Требуется измерение спектра малой высокочастотной компоненты δφ на условиях большой низкочастотной компоненты φ(t).
Известны высокочастотные широкополосные фазометры различных конструкций, измеряющие разность фаз двух гармонических сигналов. Например, известен фазометр, включающий:
- два аналого-цифровых преобразователя (АЦП);
- времязадающее средство,
- средство сбора и обработки данных
[Патент РФ №2225012, МПК G01R 25/00, H03D 13/00].
1
2
1
1
2
1
2
1
1
2
Он работает следующим образом. Входные сигналы U и U высокой частоты ω имеют вид:  и , где A и A - амплитуда, которая меняется существенно медленней, чем U(t) и U(t), ω - одинаковая несущая частота сигналов, φ и φ - фазы этих сигналов.
2
1
Требуется измерить разность фаз Δφ=φ-φ.
1
2
1
2
0
0
0
1
0
1
2
С этой целью входные сигналы U и U поступают на два идентичных аналого-цифровых преобразователя, АЦП и АЦП. Эти АЦП в моменты времени, задаваемые времязадающим устройством, формируют цифровые отсчеты значений входных сигналов с частотой следования ω. Время преобразования АЦП существенно меньше, чем период поступающих на них сигналов. Частота взятия отчетов ω с некоторым приближением превышает в M раз частоту сигналов (1) и (2), т.е. ω≈Mω, где M - небольшое целое число, например M=3. Если получаемую последовательность отсчетов распределить на M серий отсчетов, например при M=3 три серии отсчетов с номерами (1, 4, 7, 10); (2, 5, 8, 11) и (3, 6, 9, 12,), то получаемые отсчеты сигнала (1) могут трактоваться как отсчеты разностной частоты между частотой этого сигнала (1) и частотой преобразования ω, задаваемой времязадающим устройством. Сказанное справедливо и по отношению к отсчетам сигнала (2). Между каждой серией отчетов имеет место сдвиг фаз на величину Δϕ=2π/M. Дальнейшая обработка этих отсчетов позволяет раздельно вычислять разность фаз между сигналами U и U, с одной стороны, и тактовым сигналом времязадающего устройства, с другой стороны, метод этих вычислений детально описан в патенте, описывающем это устройство.
0
1
2
1
1
2
При нестрогом равенстве ω и Mω каждая из вычисленных фаз с течением времени в среднем линейно нарастает или убывает, но разность этих фаз и в этом случае в среднем остается постоянной. Конкретное же значение этой разности фаз Δφ=φ-φ в каждый момент времени все время меняется, и его значение может быть определено в режиме реального времени за счет достаточного быстродействия цифрового устройства обработки. Таким путем достигается измерение разности фаз в полосе частот до 5-10 кГц. Все необходимые арифметические действия для вычисления разности фаз осуществляются устройством сбора и обработки сигналов в режиме реального времени. Этот метод измерения фаз позволяет точно вычислить и устранить из результата обработки в отдельности сдвиг нуля АЦП, амплитудную модуляцию входных сигналов (т.е. медленные изменения величин A и A), а также позволяет получать разность фаз Δφ в виде непрерывной функции времени. Эта функция получается в виде цифровых значений этой величины, что позволяет эффективно подавлять те компоненты, которые лежат вне полосы частот, представляющей интерес.
1
1
1
1
Недостаток этого фазометра состоит в том, что несущая частота ω входных сигналов (1) и (2) должна быть не слишком высокой, поскольку время преобразования используемых АЦП выбирается по принципу наибольшей разрядности и наименьших шумов и поэтому, например, для 20-разрядного АЦП частота преобразований ω не превышает 100 кГц. При M=3, с учетом ω≈Mω, частота ω не может быть выше 33 кГц.
Таким образом, данный фазометр не позволяет измерять разность фаз сигналов, имеющих высокую несущую частоту.
Наиболее близким к заявляемому устройству является фазометр, включающий:
- два смесителя;
- два фильтра низких частот;
- гетеродинный генератор;
- два аналого-цифровых преобразователя;
- времязадающее устройство,
- устройство сбора и обработки данных
[Патент РФ №2225012, МПК G01R 25/00, H03D 13/00].
Схема этого фазометра показана на рис.1, где 1 - гетеродинный генератор, 2 - смеситель 1, 3 - смеситель 2, 4 - фильтр НЧ 1, 5 - фильтр НЧ 2, 6 - аналого-цифровой преобразователь 1, 7 - времязадающее средство, 8 - аналого-цифровой преобразователь 2, 9 - средство сбора и обработки данных.
Фазометр работает следующим образом.
Сигналы вида (1) и (2) поступают на смеситель 1 (поз.2) и смеситель 2 (поз.3). На каждом смесителе эти сигналы умножаются на сигнал, формируемый гетеродинным генератором 1
В результате на выходе смесителей формируются сигналы этих произведений:
В соответствии с правилами тригонометрических преобразований каждый из этих сигналов может быть представлен как сумма гармонических компонент с разностной и с суммарной несущими частотами. Включенные на выходах фильтры низких частот пропускают только низкочастотные компоненты. Поэтому с выходов фильтров на входы АЦП 1 (поз.6) и АЦП 2 (поз.8) поступают сигналы разностной частоты:
Эти сигналы можно записать в другой форме:
i
i
2
1
0
2
1
0
Здесь C=0,5 AB, ω=ω-ω. Сигналы (8) и (9) идентичны по форме сигналам (1) и (2), но отличаются меньшими значениями несущей частоты ω<<ω, что обеспечивается соответствующим выбором частоты гетеродинного генератора ω. Дальнейшая часть фазометра, показанного на рис.2, образует собой низкочастотный фазометр, полностью идентичный фазометру, показному на рис.1. Принцип его действия рассмотрен выше.
1
0
0
2
1
0
1
1
Например, если несущая частота исходного сигнала ω=80 МГц, то выбором частоты гетеродинного генератора ω=80,01 МГц или ω=79,99 МГц можно обеспечить разностную частоту ω=ω-ω=±0,01 МГц, т.е. 10 кГц. При этом условии дальнейшее измерение разности фаз сигналов (8) и (9) может быть обеспечено с помощью АЦП, частота преобразований ω не составляет от 30 до 100 КГц. Таким образом, этот фазометр позволяет осуществлять измерения разности фаз сигналов, имеющих высокочастотную несущую частоту ω.
Этот фазометр является ближайшим аналогом предлагаемого и принят за прототип изобретения.
Недостатком его являются значительные шумы, вносимые каскадом понижения частоты, который образуется смесителями, фильтрами и гетеродинным генератором. Амплитудная модуляция, присутствующая во входных сигналах, при таком преобразовании трансформируется в паразитную фазовую модуляцию, которую невозможно выделить и подавить при последующей цифровой обработке. Кроме того, собственные шумы смесителей также приводят к повышению шумов на их выходе, которые снижают точность фазометра в целом. Таким образом, описанный фазометр не обладает достаточно высокой точностью.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение точности фазометра при измерении разности фаз сигналов, имеющих высокочастотную несущую частоту.
Поставленная задача решается тем, что предлагается фазометр с гетеродинным преобразованием частоты, содержащий времязадающее средство, первый и второй идентичные аналого-цифровые преобразователи, средство сбора и обработки данных, причем времязадающее средство связано со средством сбора и обработки данных и каждым аналого-цифровым преобразователем, который содержит первый цифровой умножитель и второй цифровой умножитель, связанные с первым аналого-цифровым преобразователем, а также третий цифровой умножитель и четвертый цифровой умножитель, связанные со вторым аналого-цифровым преобразователем, первый цифровой конвейерный фильтр, связанный с первым цифровым умножителем, второй цифровой конвейерный фильтр, связанный со вторым цифровым умножителем, третий цифровой конвейерный фильтр, связанный с третьим цифровым умножителем, четвертый цифровой конвейерный фильтр, связанный с четвертым цифровым умножителем, при этом каждый цифровой конвейерный фильтр связан также со средством сбора и обработки данных, а времязадающее средство связано с первым цифровым умножителем и третьим цифровым умножителем, а первый аналого-цифровой преобразователь и второй аналого-цифровой преобразователь соединены со вторым цифровым умножителем и третьим цифровым умножителем, первый цифровой конвейерный фильтр, связанный с первым цифровым умножителем множителя и последовательно с каждым из них включенные четыре цифровых конвейерных фильтра низких частот, каждые две пары которых соединяют один из выходов аналого-цифрового преобразователя с соответствующими входами устройства сбора и обработки данных, а вторые входы цифровых умножителей соединены с выходами когерентного и квадратурного опорных сигналов времязадающего устройства.
Дополнительные тактовые выходы времязадающего средства могут быть соединены с тактовыми входами каждого из аналого-цифровых преобразователей и с тактовым входом средства сбора и обработки данных.
В качестве идентичных аналого-цифровых преобразователей с общим времязадающим устройством взяты быстродействующие АЦП, выбор АЦП с повышенным быстродействием возможен благодаря снижению требований к их разрядности.
Схема предлагаемого устройства показана на рис.2, где: 6 - первый аналого-цифровой преобразователь, 7 - времязадающее средство, 8 - второй аналого-цифровой преобразователь, 9 - средство сбора и обработки данных, 10 - первый цифровой умножитель, 11 - второй цифровой умножитель, 12 - третий цифровой умножитель, 13 - четвертый цифровой умножитель, 14 - первый цифровой конвейерный фильтр низких частот, 15 - второй цифровой конвейерный фильтр низких частот, 16 - третий цифровой конвейерный фильтр низких частот, 17 - четвертый цифровой конвейерный фильтр низких частот.
Предлагаемый фазометр работает следующим образом.
0
Входные сигналы вида (1) и (2) поступают на два быстродействующих АЦП (поз.6 и 8). С выхода первого АЦП цифровые отсчеты первого сигнала поступают на один из входов первого (поз.10) и второго (поз.11) цифровых умножителей, на вторые входы этих умножителей поступают цифровые коды, соответствующие значениям программно формируемого парного (аналитического) гармонического сигнала частоты ω, то есть такого сигнала, в котором содержатся когерентная и квадратурная компоненты. Сдвиг фаз в сигналах, подаваемых на вторые входы первого и второго цифровых умножителей, составляет 90 градусов. На выходах цифровых умножителей формируются сигналы вида (4) и (5) в форме цифровых значений. Эти сигналы поступают на первый и второй цифровые конвейерные фильтры низких частот (поз.14 и 15), где фильтруются с одновременным уменьшением частоты их следования и увеличением разрядности [Е.А.Семерников, Е.Е.Семерникова, И.Л.Трунов. Области устойчивости конвейерных фильтров второго порядка http://www.contrterror.tsure.ru/site/magazine9/06-21-Semernikov.htm]. Такая фильтрация может быть, например, достигнута простым сложением этих сигналов, представленных в двоичной форме с соответствующим переносом децимальной запятой.
Действие такого фильтра можно проиллюстрировать на последовательности малой разрядности.
0
1
0
2
0
5
0
Например, пусть идут последовательно следующие двоичные отсчеты: 101, 110, 101, 100, 101, 110, 111, 110. Если эти числа складывать попарно, получится следующая последовательность: 1011, 1001, 1011, 1101. Для получения полусумм необходимо эти результаты разделить на 2, что соответствует сдвигу разрядов на единицу влево. То есть самый младший разряд в полученных последовательностях имеет вес не «1», a «1/2», что можно обозначить, отделив его запятой от старших разрядов. Таким образом, попарное сложение и сдвиг дает дополнительные разряды в результирующих средних числах. При этом частота следования таких разрядов может быть снижена вдвое. Если эту процедуру применить еще раз, частота следования снизится в четыре раза, а децимальную запятую в результате необходимо будет передвинуть на два разряда влево. При таком снижении полосы частот в четыре раза среднеквадратическое значение нормального гауссова шума снижается лишь два раза (в корень из четырех), а количество получаемых при этом дополнительных разрядов - два. Это соответствует уточнению значения в четыре раза. Поэтому один из полученных разрядов лишний, шумовой, и его можно отбросить. То есть потоковая фильтрация позволяет из потока N-разрядных чисел на частоте следования f получить поток (N+1)-разрядных чисел с частотой следования f=f/4 или поток (N+2)-разрядных чисел с частотой следования f=f/16 и так далее. Например, можно получить поток (N+5)-разрядных чисел с частотой следования f=f/1024.
Например, последовательность 14-разрядных чисел, следующих с частотой 100 МГц, может быть преобразована конвейерным фильтром в последовательность 20-рязрядных чисел, следующих с частотой 24,4140625 кГц.
В результате таких преобразований получаются последовательности двоичных многоразрядных чисел на достаточно низких частотах, которые позволяют для дальнейшей обработки использовать устройство сбора и обработки данных. Аналогичным путем работают третий и четвертый (поз.12 и 13) цифровые умножители, а также третий и четвертый конвейерные фильтры (поз.16 и 17). В результате средство сбора и обработки данных (роз. 9) вычисляет фазу сигналов (1) и (2), откуда вычисляется разность этих фаз.
Применение высокочастотных АЦП позволяет обрабатывать сигналы (1) и (2) на высоких несущих частотах, применение цифровых умножителей для умножения получаемых последовательностей отсчетов на программно формируемые цифровые значения когерентной и квадратурной компонент аналитического сигнала позволяет получать сигналы разностной частоты в цифровом виде также в форме когерентной и квадратурной компонент сигналов разностной частоты. Применение конвейерного фильтра позволяет снизить частоту следования получаемых отсчетов до такой достаточно низкой частоты, которая позволяет далее для обработки этих данных использовать относительно низкочастотное устройство сбора и обработки данных. В целом такое техническое решение позволяет исключить из тракта гетеродинного преобразования частот аналоговые усилители и фильтры, реализовать все операции в цифровом виде, что существенно снижает шумы обработки и повышает точность фазометра при одновременном повышении несущей частоты сигналов (1) и (2).
Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает повышение точности при измерении разности фаз сигналов, имеющих высокочастотную несущую частоту.
Все устройство полностью может быть реализовано на сигнальном процессоре, например на процессоре фирмы Altera [NCO MegaCore Function. User Guide. http://www.altera.com/literature/ug/ug_nco.pdf], использующим АЦП типа ADC6645, имеющим 14 разрядов и работающим на тактовой частоте 100 МГц.
Структурная схема средства сбора данных, которая проектируется и реализуется в составе этого сигнального процессора, может быть такой, например, как описано в Патенте РФ №2225012. Дополнительно может быть обеспечена лучшая синхронность работы всех элементов, для чего времязадающее средство может иметь дополнительные выходы синхронизирующих частот, которые могут быть соединены с тактовыми входами аналого-цифровых преобразователей и устройства сбора и обработки данных.