Коммутационный преобразователь фазовых сдвигов

Полезная модель относится к радиоизмерительной технике и может быть использована при построении фазоизмерительной аппаратуры в широком диапазоне частот без предварительной установки нуля.
Известен фазовый преобразователь, состоящий из управляемого переключателя, генератора коммутационных импульсов, двух усилителей-ограничителей, ключевого фазового детектора и фильтра нижних частот. Достоинством данного фазового преобразователя является исключение влияния неинформативных параметров (амплитуда и частота) испытательного сигнала на точность выделения и преобразования информативного фазового параметра сравниваемых сигналов [Скрипник Ю.А. Повышение точности измерительных устройств. Киев: Изд. «Техника», 1976, с. 264].
Недостатком данного устройства является ограниченность характеристики преобразования в пределах полупериода фазового сдвига.
Этот недостаток устранен в коммутационном преобразователе, в котором использование триггерных делителей частоты позволило расширить пределы характеристики преобразования до 3π [а.с. №655986 СССР, МПК G01R 25/00].
Применение ключевых и триггерных элементов, обладающих неидентичностью характеристик в двухканальной схеме преобразователя, приводит к существенным фазовым флюктуациям его выходного сигнала.
Известен коммутационный фазовый преобразователь, выполненный на основе потенциальных элементов (схем совпадения) и цифрового синхронизирующего элемента, на основе микроконтроллера, в котором эти недостатки устранены [патент №2745700 РФ, СПК G01R 35/00 (2020.08)].
2
Недостатком данного устройства, выбранного в качестве прототипа, является сложность обработки выходных импульсов схемы «ИЛИ» в полупериод коммутации прохождения опорного сигнала U(t) через измерительный канал. Длительность выходных импульсов схемы «ИЛИ» в этот полупериод коммутации минимальна и определяется только фазовой неидентичностью измерительного и опорного каналов. Обработка таких импульсов при любом способе интегрирования затруднена.
Техническим результатом является повышение точности и стабильности преобразования фазовых сдвигов.
Для достижения технического результата коммутационный преобразователь фазовых сдвигов содержит переключатель в одном из каналов с сигнальными входами по двум каналам, генератор коммутационных импульсов, подсоединенный к переключателю, усилители-ограничители в обоих каналах, два триггера, выходы которых подключены к двум схемам «И», причем один выход к схеме «И» одного канала, а другой - к схеме «И» второго канала преобразователя, выходы вышеуказанных схем соединены со схемой «ИЛИ», выход которой через фильтр нижних частот подключен к выходу устройства, а также элементы синхронизации, включающие первую и вторую двухвходные схемы «ИЛИ», первую, вторую, третью и четвертую двухвходовые схемы «И» и микроконтроллер, имеющий четыре управляющих выхода и два сигнальных входа, один из которых подключен к прямому выходу усилителя-ограничителя измерительного канала и к одному из входов первой схемы «И», а другой сигнальный вход микроконтроллера подключен к прямому выходу усилителя-ограничителя опорного канала и к одному из входов второй схемы «И», а четыре управляющих выхода микроконтроллера подключены к входам соответственно первой, третьей, четвертой и второй схем «И», при этом один из входов третьей схемы «И» подключен к инверсному выходу усилителя-ограничителя измерительного канала, а вход четвертой схемы «И» - к инверсному выходу усилителя-ограничителя опорного канала, выходы упомянутых первой и третьей схем «И» через схему «ИЛИ» подключены к счетному входу триггера измерительного канала, а выходы второй и четвертой схемы «И» через вторую схему «ИЛИ» - к счетному входу триггера опорного канала, при этом предлагаемый преобразователь дополнен программируемым фазовращателем, вход программирования которого соединен с пятым дополнительным выходом микроконтроллера, а вход и выход подключены соответственно к выходам переключателя и к входу усилителя-ограничителя измерительного канала.
Следовательно, сущностью предложенного технического решения является введение в структуру прототипа программируемого фазовращателя с соответствующими связями, что позволяет при линейной фазовой характеристике прототипа, равной 3π, отодвинуть «нулевую» точку примерно на 45°.
На фигуре представлена структурная схема предлагаемого коммутационного преобразователя фазовых сдвигов.
Коммутационный преобразователь 1 состоит из управляемого переключателя 2, генератора коммутационных импульсов 3, двух усилителей-ограничителей 4 и 5, двух выходных триггеров 6 и 7, двух схем «И» 8 и 9, схемы «ИЛИ» 10, фильтра нижних частот 11, микроконтроллера 12, первой схемы «И» 13, второй схемы «И» 14, третьей схемы «И» 15, четвертой схемы «И» 16, двух двухвходовых схем «ИЛИ» 17 и 18 и программируемого фазовращателя 19, вход и выход подключены соответственно к выходам управляемого переключателя 2 и к входу усилителя-ограничителя измерительного канала 4.
Принцип действия преобразователя 1 следующий.
Усилитель-ограничитель 4 совместно с первой 13 и третьей схемами «И» 15, а также со схемой «ИЛИ» 17, выходным триггером 6 и схемой «И» 8 и программируемым фазовращателем 19 составляют измерительный канал преобразователя 1. Соответственно усилитель-ограничитель 5 совместно со второй 14 и четвертой схемами «И» 16, а также со схемой «ИЛИ» 18, выходным триггером 7 и схемой «И» 9 составляют опорный канал преобразователя 1.
Отметим также, что двухвходовые схемы «ИЛИ» 17 и 18, первая 13, вторая 14, третья 15 и четвертая 16 двухвходовые схемы «И», а также микроконтроллер 12 составляют элементы синхронизации, обеспечивающие, как и в прототипе, двухполярный режим работы преобразователя 1 с расширением его фазовой характеристики до 3π.
В целом, управляемый переключатель 2, генератор 3, усилители-ограничителя 4 и 5, выходные триггеры 6 и 7, две схемы «И» 8 и 9, схема «ИЛИ» 10 и фильтр нижних частот 11, микроконтроллер 12, первая схема «И» 13, вторая схема «И» 14, третья схема «И» 15 и четвертая схема «И» 16, а также две схемы «ИЛИ» 17 и 18 образуют ключевой фазовый детектор, реализующий коммутационный метод разновременного преобразования фазовых сдвигов.
1
m1
1
2
m2
2
2
m2
2
Непосредственно, достижение технического результата обосновывается следующим образом. Входные импульсы U(t)=Usin(ωt+ϕ) и U(t)=Usin(ωt+ϕ) через переключатель 2 и программируемый фазовращатель 19 поочередно поступают на усилитель-ограничитель 4 под управление микроконтроллера 12 с соответствующим программным обеспечением. Одновременно на усилитель-ограничитель 5 опорного канала поступает входной сигнал U(t)=Usin(ωt+ϕ). Таким образом, в один такт работы преобразователя 1 на выходе схемы «ИЛИ» 10 формируются импульсы длительностью
пф
где ϕ - фазовый сдвиг программируемого фазовращателя 19;  - фазовые сдвиги, вносимые соответственно измерительным и опорным каналами преобразователя 1 и зависящие от частоты сигнала;  - фазовые сдвиги, вносимые соответственно измерительным и опорным каналами преобразователя 1 в зависимости от амплитуды сигнала; ω=2πƒ - угловая частота.
В следующий такт работы переключателя 2 на выходе схемы «ИЛИ» 10 формируются импульсы длительностью
пф
1
2
где ϕ - фазовый сдвиг программируемого фазовращателя 19;  - фазовые сдвиги, вносимые соответственно измерительным и опорным каналами преобразователя 1 и зависящие от частоты сигнала;  - фазовые сдвиги, вносимые соответственно измерительным и опорным каналами преобразователя 1 в зависимости от амплитуды сигнала; ω=2πƒ - угловая частота, ϕ=ϕ-ϕ - измеряемая разность фаз.
1
2
2
Выходное напряжение схемы «ИЛИ» 10, состоящее из импульсов длительность Δt и Δt, можно рассматривать как непрерывное импульсное напряжение, модулированное по длительности. Индекс Р широтно-импульсной модуляции (ШИМ) определяется разностью длительности Δt и
где  - амплитудно-фазовая погрешность от неравенства амплитуд.
Выделение фазовой информации из широтно-модулированных импульсов схемы «ИЛИ» 10 может осуществляться в аналоговой и цифровой формах. В предложенном решении используется аналоговый метод с использованием фильтра нижних частот 11.
Из анализа формулы (3) следует:
- при выделении фазовой информации методом периодического сравнения изменение частоты и равное изменение амплитуды сигналов не приводят к смещению нуля преобразователя;
- включение в измерительный канал программируемого фазовращателя 19 позволяет отодвинуть «нулевую» точку примерно на 45°, что вполне достаточно для эффективной обработки выходных сигналов преобразователя 1.
При этом влияние непосредственно фазовращателя 19 на точность фазового преобразователя 1 минимальна, так как он участвует в обоих тактах коммутации.
U
Техническая реализация фазовращателя возможна и целесообразна на основе цифровых потенциометров и коммутируемых конденсаторов. Параметры этих элементов должны быть таковы, чтобы во всем частотном диапазоне обеспечивать соотношение ωRC=1, при котором  и ϕ=-45°.
Таким образом, предложенное техническое решение реализует двухполярный принцип работы преобразователя на линейном участке 3π, а введение управляемого фазовращателя позволяет повысить точность и стабильность преобразования фазового сдвига.
Следовательно, предлагаемое техническое решение является новым, промышленно применимым, т.е. удовлетворяет критериям, предъявляемым к полезным моделям.