Интерференционный цифровой фазометр

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в различных радиоизмерительных устройствах, в частности в фазовых радиопеленгаторах, для измерения и цифровой индикации разности фаз высокочастотного запоминания двух импульсных или непрерывных радиосигналов.
Известны устройства для измерения фазы с цифровым кодированием, состоящие из:
- многоканальной схемы сравнения, в которой входные сигналы сравниваются с N сигналами, смещенными по фазе по отношению к другому входному сигналу на  при этом  или 2π;
- схемы обработки, преобразующей показания схемы сравнения в требуемый цифровой код.
Несколько вариантов построения фазометров такого типа приведено в патенте ФРГ №1282785, НКИ 21 с, 25/00, 1969 г., и в а.с. СССР №362254, МКИ G01r 25/00.
Фазометр содержит фазовращатели, фазовые детекторы, пороговые устройства, преобразователь кода и шифратор.
вых
вых
Недостатком этих фазометров является ограничение по быстродействию вследствие использования в фазовых детекторах схемы перемножения для получения зависимости выходного напряжения фазового детектора U от измеряемой разности фаз Δϕ, подчиняющейся выражению U=KcosΔϕ.
Также известны интерференционные фазометры, описанные в статье Н.И. Беликова и А.В. Панфилова "Интерференционный фазометр метровых волн для многобазового пеленгатора" в журнале "Военная радиоэлектроника", №4-5 (211-212), 1963 г.
Фазометр содержит амплитудные ограничители, фазовращатели, фазовые детекторы и схему обработки.
Отличительной чертой интерфенционных фазометров является то, что в них фазовые детекторы строятся на схемах сложения с последующими амплитудными детекторами. Простота выполнения и высокочастотность таких фазовых детекторов дает интерференционным фазометрам существенные преимущества перед другими фазометрами, что обусловило их широкое применение для измерения разности фаз высокочастотного заполнения короткоимпульсных сигналов.
В известных интерференционных фазометрах измерение фазы основано на воспроизведении во времени огибающей интерференционных сигналов, которая образована на выходах фазовых детекторов многоканальной интерференционной схемы сравнения при подведении к ней двух сигналов.
Для этого фазовые детекторы подключаются к отводам линии задержки так, чтобы временные расстояния между соседними отводами были примерно равны длительности сигнала с выходов фазовых детекторов. Линия задержки с одной стороны нагружена на волновое сопротивление, а с другой - на ФНЧ, в качестве которого обычно используется контур ударного возбуждения. На выходе ФНЧ получается временная функция огибающей интерференционной картинки. Для определения кода измерения фазы используется положение на оси времени импульса, сформированного по минимуму интерференционной картинки. Интервал времени, пропорциональный разности фаз, измеряется далее известными способами.
Недостатки подобной схемы очевидны:
- большое время измерения, определяемое длительностью линии задержки и временем для демпфирования контура ударного возбуждения для срыва свободных колебаний после цикла измерений.
В известных фазометрах подобного типа время измерения составляет (5÷7) мксек.
- большой аппаратурный состав (линии задержки, контур ударного возбуждения, двоичный счетчик) и сложность построения фазометра.
Целью предлагаемого изобретения является уменьшение времени измерения, повышение помехоустойчивости и упрощение интерференционного фазометра.
Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом интерференционном фазометре выходы 2N фазовых детекторов попарно соединены со входами N компараторов, выходы компараторов соединены с преобразователем кода, к 2N выходам которого подключен шифратор.
Предлагаемый фазометр поясняется чертежами;
фиг. 1 - Функциональная схема фазометра;
фиг. 2 - Таблица состояний компараторов в зависимости от Δϕ.
1
2
2N
N
Фазометр содержит два входных канала, на входе которых установлены амплитудные ограничители 1 и 2, к выходам которых подсоединены соответственно фазовращатели 3 и 4. Фазовые детекторы ФД, ФД…ФД подключены к отводам фазовращателей. Выходы фазовых детекторов подсоединены попарно к компараторам K1, K2…K. Выходы компараторов соединены с преобразователем кода 5, к 2N выходам которого подключен шифратор 6.
Фазометр работает следующим образом.
1
1
1
2
2
2
2
1
Входные сигналы e=ucos(wt+ϕ) и e=ucos(wt+ϕ), между которыми требуется измеритель разности фаз Δϕ=ϕ-ϕ, приходят на амплитудные ограничители 1 и 2, которые производят нормализацию амплитуд входных сигналов. Далее эти сигналы подаются на фазовращатели 3 и 4, состоящие из N фазосдвигающих цепочек, соединенных последовательно или параллельно (на фиг. 1 для удобства изложения изображено последовательное соединение фазосдвигающих цепочек. Фазовращатели 3 и 4 выдают каждый по (N+1) выходам сигналы, сдвинутые на  где - дискрет фазового сдвига, равный  С выходов фазовращателей 3 и 4 сигналы подаются на 2N фазовых детекторов следующим образом:
1
1
2
N
2
- все выходы фазовращателя 3, за исключением последнего,то есть обеспечивающего фазовый сдвиг сигнала e на 180°, подаются последовательно на один из входов первой группы фазовых детекторов ФД, ФД…ФД, а на другие входы этих фазовых детекторов подается сигнал с последнего выхода фазовращателя 4, обеспечивающего сдвиг сигнала e на 180°;
2
N+1
N+2
2N
1
- все выходы фазовращателя 4, за исключением первого, где задержка сигнала e отсутствует, подаются последовательно на один из входов 2-й группы фазовых детекторов ФД, ФД…ФД, а на другие входы этих же фазовых детекторов подается сигнал с последнего выхода фазовращателя 3, обеспечивающего сдвиг сигнала e на 180°.
1
2
2N
Каждый из фазовых детекторов ФД, ФД…ФД состоит из схемы сложения "+" и амплитудного детектора АД.
Легко показать, что в этом случае интерференционное распределение амплитуд сигналов на выходах фазовых детекторов от измеряемой разности фаз подчиняется выражению (I):
где i - номер фазового детектора 1≤i≤2N;
A - коэффициент пропорциональности.
Из формулы (I) видно, что любой разности фаз однозначно соответствует свое распределение сигналов на выходах фазовых детекторов.
Работа последующих частот фазометра сводится к анализу этого распределения амплитуд сигналов с целью выработки выходного кода, однозначно и в требуемой форме определяющего измеренное значение.
В данной схеме анализ интерференционного распределения основан на попарном сравнении напряжений сигналов с выходов фазовых детекторов при помощи известных схем компараторов напряжения.
Для этого выходы 2N фазовых детекторов подсоединены ко входам N достаточно быстродействующих и чувствительных компараторов K1, K, … KN, которые известными способами осуществляют операцию вычитания сравниваемых сигналов и вырабатывают на своих выходах логические состояния "0" или "1" в зависимости от разницы напряжений на их входах.
1
N+1
2
N+2
Фазовые детекторы подсоединены к компараторам таким образом, что для каждого компаратора разница номеров подсоединенных детекторов равна N. Например ФД и ФД для K1; ФД и ФДдля K2 и т.д.
д
В результате такого попарного сравнения на выходах компараторов образуется N-разрядный ассоциативный код, причем каждому значению измеряемой разности фаз, взятому с выбранным дискретом соответствует свое, определенное значение этого кода. Это хорошо видно из фиг. 2, где приведена таблица состояний компараторов в зависимости от Δϕ для случая N=8(ϕ=22,5°).
Код с выходов компараторов поступает на преобразователь N-разрядного ассоциативного кода в 2N-разрядный позиционный код 5. Простейшая схема такого преобразователя может быть построена на двухвходовых схемах совпадения. Например, для выделения 1-й градации позиционного кода для случая N=8 на входы схемы совпадения нужно подать инверсное значение кода с выхода компаратора K5 и прямое значение с выхода K6; для выделения 2-й градации - инверсное значение K6 и прямое K7 и так далее в соответствии с таблицей фиг. 2.
С выходов преобразователя 5 позиционный код поступает на шифратор 6, который известными способами преобразует его в требуемый код.
Применение в интерференционном фазометре схемы попарного сравнения на компараторах позволяет:
- уменьшить время измерения по сравнению с прототипом за счет отсутствия воспроизведения во времени огибающей интерференционных сигналов;
- упростить фазометр;
- улучшить работу фазометра при изменении внешних условий (температуры, питающих напряжений);
- повысить помехоустойчивость фазометра.
Ослабление влияния колебании температуры и питающих напряжений на работу предлагаемого фазометра и повышение его помехоустойчивости обеспечивается тем, что компараторы осуществляют операцию вычитания сравниваемых сигналов, а потому синфазные помехи и синфазные изменения параметров интерференционной схемы в значительной степени компенсируются. Сами же компараторы строятся по балансной схеме.
По данному техническому предложению был изготовлен, настроен и испытан с положительными результатами макет фазометра, в котором были применены компараторы 52ICA-2.