Цифровой фазометр
DIGITAL PHASEMETER

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к устройствам измерения сдвига фаз между сигналами несинхронизированных по частоте генераторов близких частот для радионавигационных и радиогеодезических приложений.
Известен «Цифровой фазометр» (патент РФ 2207579, опубликован 27.06.2003), обеспечивающий измерение разности начальных фаз сигналов в присутствии переменной фазовой составляющей, имеющей периодический характер, в частности в системах связи, использующих ретранслятор, входящий в состав аппаратуры искусственного спутника Земли, размещенного на геостационарной орбите. Цифровой фазометр содержит двухканальный преобразователь «сдвиг фазы - интервал времени», элемент 2И/ИЛИ, первый элемент И, счетчик, формирователь, генератор квантующих импульсов. Введение в фазометр блока сравнения, коммутатора, вычислительного блока, времязадающего узла, формирователя импульса конца первого измерения, буферного регистра, второго элемента И, формирователя импульса конца второго измерения, элемента задержки, первого элемента ИЛИ, RS-триггера, второго элемента ИЛИ, счетчика количества измерительных циклов 19 позволяет исключить переменную составляющую, вызванную движением спутника за измерительное время, т.е. повысить точность измерения разности начальных фаз.
Недостатком известного цифрового фазометра является большая погрешность измерения в случае несинхронизированности источников входного и опорного сигналов, что может иметь место в радионавигации, когда частоты колебаний, сдвиг фаз между которыми предстоит измерить, дрейфуют одна относительно другой.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является получивший широкое распространение цифровой фазометр с постоянным измерительным временем [книга М.К. Чмых «Цифровая фазометрия» М.: Радио и связь, 1993, с. 9 (рис. 1.3)]. Цифровой фазометр содержит преобразователь «сдвиг фазы - интервал времени», три схемы совпадения (далее элемент И), генератор импульсов, формирователь, элемент ИЛИ, времязадающий узел, счетчик, причем к первому входу преобразователя «сдвиг фазы - интервал времени» подключен источник опорного напряжения, а ко второму - источник напряжения с измеряемым фазовым сдвигом. Первый выход преобразователя сдвиг фазы - интервал времени подключен к первому входу первого элемента И, второй выход преобразователя сдвиг фазы - интервал времени подключен к первому входу второго элемента И, выход элемента ИЛИ соединен с первым входом третьего элемента И, а генератор импульсов соединен с формирователем, первый выход которого подключен параллельно ко второму входу первого элемента И и времязадающему узлу, а второй выход формирователя соединен со вторым входом второго элемента И, выход которого подключен ко второму входу элемента ИЛИ, выход времязадающего узла соединен со вторым входом третьего элемента И, чей выход подключен к счетчику.
1
2
Недостаток известного цифрового фазометра состоит в том, что у него нет возможности с высокой точностью измерить разность фаз между синусоидальными несинхронизированными по частоте опорным и измерительным сигналом. Это связано с тем, что известный фазометр измеряет разность аргументов двух синусоидальных сигналов U(t) и U(t):
1
1
1
2
2
2
U(t)=A sin(ωt+ϕ) и U(t)=A sin(ωt+(p),
1
2
где ϕ и ϕ - начальные фазы.
Фазометр измеряет:
изм
1
2
1
2
Δϕ=(ω-ω)t+ϕ-ϕ.
1
2
1
2
1
2
Отсюда следует, что при ω≠ω результат измерения содержит времязависимую компоненту Δωt=(ω-ω)t, тогда как интерес представляет измерение разности начальных фаз Δϕ=ϕ-ϕ, не искаженной времязависимой компонентой или с минимально допустимым влиянием этой компоненты.
Во многих радионавигационных, радиогеодезических и других технических приложениях существует необходимость производить измерения сдвига фаз между двумя сигналами, несинхронизированными друг относительно друга по частоте. Так, например, если на передающем и приемном концах радиолинии работают два одинаковых генератора, но в силу естественной нестабильности их частоты, дрейфуют в определенных пределах, то при измерении сдвига фаз в этом случае будет иметь место времязависимая компонента Δωt, что делает невозможным извлечение информационной составляющей Δϕ, необходимой при проведении, в частности, угломерных измерений. Однако различие частот может быть настолько незначительным, что погрешность, вызванная этим, не окажет существенного влияния на результирующую погрешность измерения. Например, исходя из требований к практическому использованию результатов измерения фазовых сдвигов необходима точность измерения фазовых сдвигов порядка 1°. Поэтому нет смысла обеспечивать метрологическое значение точности, а допустимо согласиться с времязависимой компонентой, вызванной неравенством частот, в пределах, не превышающих необходимые требования.
В основу изобретения положена задача измерения разности фаз между синусоидальными сигналами высокостабильных несинхронизированных генераторов близких частот при допущении, что погрешность измерения, вызванная неравенством частот, не окажет существенного влияния на результирующую погрешность измерения.
Поставленная задача решается тем, что в цифровом фазометре, содержащем преобразователь «сдвиг фазы - интервал времени», входы которого являются соответственно входом опорного и входом измерительного сигналов цифрового фазометра, генератор импульсов, три элемента И, элемент ИЛИ, счетчик, времязадающий узел, формирователь, при этом выходы преобразователя «сдвиг фазы - интервал времени» подключены соответственно к одному из входов первого и второго элементов И, выходами соединенных с элементом ИЛИ, который выходом соединен с одним из входов третьего элемента И, чей выход подключен к счетчику, формирователь своими выходами соединен со вторыми входами первого и второго элементов И соответственно, а второй вход третьего элемента И соединен с времязадающим узлом, согласно изобретению, к входу опорного сигнала подключены последовательно соединенные блок измерения длительности периода опорного сигнала, блок вычитания цифровых эквивалентов длительностей периодов сигналов, блок сравнения разности длительностей периодов с порогом, RS-триггер и четвертый элемент И, который выходом соединен с формирователем и с одним из входов времязадающего узла, а к входу измерительного сигнала подключен блок измерения длительности периода измерительного сигнала, который выходом соединен со вторым входом блока вычитания цифровых эквивалентов длительностей периодов сигналов, причем генератор импульсов соединен со вторым входом четвертого элемента И и со вторыми входами блока измерения длительности периода опорного сигнала и блока измерения длительности периода измерительного сигнала, вход S - типа RS-триггера соединен со вторыми входами счетчика и времязадающего узла, а второй вход блок сравнения разности длительностей периодов с порогом является управляющим входом цифрового фазометра.
На Фиг. 1 представлена структурная схема заявляемого цифрового фазометра, а на Фиг. 2 - график условной зависимости частот сигнал от времени, приведенный исключительно для облегчения понимания сущности технического решения, поскольку в реальных условиях эта зависимость может сильно отличаться от приведенной.
1
2
3
4
Цифровой фазометр содержит преобразователь «сдвиг фазы - интервал времени» 1, четыре элемента И 2, 2, 2 и 2, генератор импульсов 3, формирователь 4, элемент ИЛИ 5, счетчик 6, времязадающий узел 7, блок 8 измерения длительности периода измерительного сигнала, блок 9 измерения длительности периода опорного сигнала, блок 10 вычитания цифровых эквивалентов длительностей периодов сигналов, блок 11 сравнения разности длительностей периодов с порогом и RS-триггер 12.
1
2
3
4
4
4
1
2
Преобразователь «сдвиг фазы - интервал времени» 1 подключен одним из выходов к первому элементу И 2 а другим выходом - ко второму элементу И 2, выходы которых подключены к элементу ИЛИ 5, соединенному своим выходом с третьим элементом И 2, который в свою очередь выходом соединен со счетчиком 6. К входу измерительного сигнала преобразователя «сдвиг фазы - интервал времени» 1 (измерительный вход цифрового фазометра) Вх. изм. подключен блок 8 измерения длительности периода измерительного сигнала, а к входу опорного сигнала преобразователя «сдвиг фазы - интервал времени» 1 (опорный вход цифрового фазометра) Вх. оп. подключен блок 9 измерения длительности периода опорного сигнала. Выходы блоков 8 и 9 подключены к блоку 10 вычитания цифровых эквивалентов длительностей периодов сигналов, который выходом соединен с блоком 11 сравнения разности длительностей периодов с порогом, на второй вход которого, являющийся управляющим входом (Вх. упр.) цифрового фазометра, подается пороговый сигнал. Блок 11 сравнения разности длительностей периодов с порогом соединен с RS-триггером 12, который своим S-входом также соединен с одним из входов времязадающего узла 7 и со вторым входом счетчика 6, а выходом - с четвертым элементом И 2. Генератор 3 импульсов цифрового фазометра подключен ко второму входу четвертого элемента И 2 и ко второму входу блока 8 измерения длительности периода опорного сигнала и блока 9 измерения длительности периода измерительного сигнала, соответственно. Формирователь 4 имеет один вход, соединенный с выходом четвертого элемента И 2 и со вторым входом времязадающего узла 7, и два выхода, подключенные ко второму входу первого 2 и второго 2 элементов И, соответственно.
Работает устройство следующим образом.
Преобразователь «сдвиг фаз - интервал времени» 1 является двухполупериодным преобразователем. На первом выходе преобразователя 1 формируется прямоугольный импульс, передний фронт которого привязан к положительному нулевому переходу сигнала на Вх. оп. преобразователя, а задний фронт - к аналогичной точке сигнала на Вх. изм. преобразователя. На втором выходе преобразователя 1 имеет место другой прямоугольный импульс, привязанный аналогичным образом к отрицательным нулевым переходам сигнала на Вх. оп. и Вх. изм. преобразователя 1. Эти прямоугольные импульсы принято называть фазовыми интервалами. Генератор импульсов 3 формирует бесконечную последовательность импульсов, которые принято называть квантующими. Из последовательности квантующих импульсов на выходах формирователя 4 формируются две последовательности, сдвинутые на половину периода одна относительно другой.
1
2
1
2
3
Фазовые интервалы квантуются в первом и втором элементах И 2 и И 2, соответственно. Квантующие импульсы, прошедшие на выход первого 2 элемента И и второго 2 элемента И, объединяются в элементе ИЛИ 5. Подсчет количества импульсов, прошедших на выход элемента ИЛИ 5, производится счетчиком 6 за измерительное время (например, 1 с), которое формируется из квантующей последовательности времязадающим узлом 7, который, в сущности, представляет собой счетчик импульсов. Это обеспечивает постоянство времени измерения. Подсчет импульсов за постоянное время измерения производится с помощью третьего элемента И 2. Таким образом, производится измерение сдвига фаз при равных частотах сигналов на Вх. оп. и Вх. изм. цифрового фазометра.
2
1
н
к
н
4
к
к
Узлы 8, 9, 10, 11, 12 обеспечивают измерение сдвига фаз при относительном различии частот сигналов на Вх. оп. и Вх. изм. На фиг 2 показан возможный вариант дрейфа частоты f одного из сигнала относительно частоты f другого сигнала. Пределами ±Δf обозначена область гарантированной относительной нестабильности частот. Из графика фиг. 2 видно, что измерения можно производить в моменты времени равенства частот или в некоторой области вокруг точки равенства, размер которой определяется допустимой погрешностью измерения. Момент начала области обозначен t, момент окончания области - t. Поэтому необходимо формировать в момент t импульс, устанавливающий RS-триггер 12 в единичное состояние. В результате этого квантующие импульсы с генератора 3 начинают проходить через четвертый элемент И 2, и процесс измерения проходит в соответствии с описанным выше. В момент времени tнеобходимо формировать импульс, устанавливающий RS-триггер 12 в нулевое состояние, и процесс измерения прекращается. Выход из разрешенной области может произойти в произвольное время, в т.ч. ранее окончания процесса подсчета импульсов счетчиком 6, поэтому накопленный результат в счетчике является неверным и должен быть уничтожен, что обеспечивается сбросом в нулевое состояние как счетчика 6, так и времязадающего узла 7 в момент времени t, при котором формируется импульс S установки RS-триггера в нулевое состояние. Технически это достигается следующим образом.
В блоках 8 и 9 производится цифровое измерение длительностей периодов сигналов по Вх. изм. и, соответственно, по Вх. оп. с помощью квантующих импульсов с генератора 3. В блоке 10 определяется в цифровом виде разность длительностей периодов, а в блоке 11 эта разность сравнивается с порогом, который устанавливается по Вх. упр. ручным или любым иным образом. Если разность оказалась меньше порогового значения, что означает нахождение частот сигналов внутри областей, указанных на фиг. 2, то формируется импульс R, устанавливающий RS-триггер 12 в единичное состояние, и процесс измерения начинается. Как только разность длительностей периодов окажется больше значения порога, формируется импульс S, по которому измерение прерывается.
Поэтому исключается работа цифрового фазометра при произвольном соотношении начальной разности частот, что приводит к значительной погрешности за счет времязависимой составляющей. Измерение производится только в пределах соотношения частот, когда времязависимая компонента достаточно мала и не оказывает существенного влияния на результат измерения разности начальных фаз.
Таким образом, производится измерение сдвига фаз между двумя синусоидальными сигналами высокостабильных несинхронизированных по частоте генераторов близких частот.