Коммутационный преобразователь фазовых сдвигов
PHASE SHIFT SWITCH

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано при построении фазоизмерительной аппаратуры в широком диапазоне частот без предварительной установки нуля.
Известны методы измерения фазовых сдвигов с использованием ключевых элементов: триггеров или схем совпадения [Цифровые методы измерения сдвига фаз. Новосибирск, Наука, 1979, 288 с.]. Общим недостатком этих методов является ограниченность характеристики преобразования в пределах полупериода. Для триггерных ключевых элементов к этому недостатку добавляется не только ограниченность, но и разрывность характеристики преобразования в пределах полного периода фазового сдвига.
Известны преобразователи фазового сдвига, в которых для устранения данного недостатка используется деление на два частоты исследуемых сигналов [АС СССР №504985, Коммутационный преобразователь разности фаз, 05.11.1974]. Так, в коммутационном преобразователе разности фаз содержится переключатель, генератор коммутационных импульсов, подсоединенный к переключателю, усилители-ограничители в обоих каналах, схемы «И», усилитель и фильтр нижних частот последовательно соединенных между собой с целью расширения диапазона преобразования и повышения точности дополнительно введены схемы «И» и два триггера, один из которых соединен своим входом с соответствующим усилителем-ограничителем непосредственно, а другой - через дополнительные схемы «И», подключенные своими вторыми входами к выходам первого триггера, выходы обоих триггеров подсоединены к двум другим схемам «И», причем один выход - к схеме «И» одного канала, а другой - к схеме «И» второго канала преобразователя, выходы выше указанных схем соединены со схемой «ИЛИ», выход которой через усилитель и фильтр нижних частот подключен к выходу устройства.
Для устранения данного недостатка основной коммутационный преобразователь [АС СССР №504985, Коммутационный преобразователь разности фаз, 05.11.1974] дополнен в каждом канале формирователем импульсов и счетчиком-делителем на три, причем вход формирователя импульсов подключен к выходу усилителя-ограничителя, а его выход - к счетному входу счетчика-делителя на три, выход которого в опорном канале подключен ко входу триггера и шине «Сброс» счетчика-делителя на три коммутируемого канала, а в коммутируемом канале - к входам двух логических элементов «И». Таким образом, в модернизированном коммутационном преобразователе разности фаз [АС СССР №655986, Коммутационный преобразователь разности фаз, 14.12.1978], выбранном в качестве ближайшего прототипа, частота выходных импульсов усилителей-ограничителей делится на три. Как известно, при нечетном коэффициенте деления используются оба фронта выходных сигналов усилителей-ограничителей, что соответствует двухполярному принципу работы преобразователя.
Однако техническое решение, используемое в данном преобразователе, обладает существенным недостатком, так как реализовано на ключевых и триггерных элементах, неидентичность характеристик которых в двухканальной схеме преобразователя приводит к существенным фазовым флюктуациям его выходного сигнала.
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 выше указанных схем соединены со схемой «ИЛИ», выход которой через фильтр нижних частот подключен к выходу устройства, при этом в предлагаемый преобразователь дополнительно введены первая и вторая двухвходовые схемы «ИЛИ», первая, вторая, третья и четвертая 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.
Связи вновь введенных элементов между собой и общими с прототипом элементами в совокупности образуют устройство, в котором минимизировано время прохождения сигналов по обоим каналам, выполненным симметричными с использованием потенциальных элементов.
На фиг. 1 представлена структурная схема коммутационного преобразователя фазовых сдвигов, а на фиг. 2 - временные диаграммы иллюстрирующие принцип его действия.
Коммутационный преобразователь 1 состоит из управляемого переключателя 2, генератора коммутационных импульсов 3, двух усилителей-ограничителей измерительного и опорного каналов 4 и 5, а также двух выходных триггеров 6 и 7, двух схем «И» 8 и 9, схемы «ИЛИ» 10 и фильтра нижних частот 11, а также дополнительно введенные 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.
ω
у
Принцип действия устройства следующий. Элементы коммутационного преобразователя 1: переключатель 2, генератор 3, усилители-ограничителя 4 и 5, выходные триггеры 6 и 7, схемы «И» 8 и 9, схема «ИЛИ» 10 и фильтр нижних частот 11 являются обязательными для типовой схемы фазового детектора на ключевых элементах [Цифровые методы измерения сдвига фаз. Новосибирск, Наука, 1979, 288 с.]. В предлагаемом устройстве для достижения технического результата - оптимального способа синхронизации коммутируемых сигналов измерительного и опорного каналов преобразователя 1 - предложен принципиально новый цифровой синхронизатор, ключевым элементом которого являются микроконтроллер 12 с соответствующим программным обеспечением. Запуск программы и в целом синхронизация микроконтроллера 12 осуществляется сигналами с прямых выходов усилителей-ограничителей 4 и 5. С поступлением первых импульсов вычисляется период Т исследуемых сигналов. Далее фиксируется начальный импульс с усилителей-ограничителей 4, 5 и начинается процесс генерации управляющих сигналов Т. Эти сигналы с выходов 1 и 2 микроконтроллера 12 поступают на разрешающие входы схем «И» 13 и 15 измерительного канала, а с выходов 3 и 4 - на разрешающие входы схем «И» 14 и 16 опорного канала.
ω
ω
ω
ω
Временная расстановка управляющих сигналов следующая. Первый импульс с выхода 1 микроконтроллера 12 относительно начального импульса с прямого выхода усилителя-ограничителя 4 поступит на вход схемы «И» 13 с задержкой 0,9Т и далее будет поступать с периодичностью 3Т. Относительно импульсов с выхода 1 микроконтроллера 12 первый импульс с выхода 2 поступает на схему «И» 15 с задержкой 1,5Т и далее будет поступать с периодичностью 3Т. Аналогично формируются управляющие сигналы с выходов 3 и 4 микроконтроллера 12, только относительно начального импульса с прямого выхода усилителя-ограничителя 5.
ω
у
Длительность управляющих сигналов составляет примерно 0,2Т. Это означает, что поступление управляющих сигналов на схемы «И» 13, 14, 15 и 16 наступает раньше и заканчивается несколько позже прохождения через указанные схемы фронтов выходных сигналов (обеих полярностей) с усилителей-ограничителей 4 и 5. Такая временная расстановка управляющих сигналов Т является ключевой при оптимизации способа синхронизации коммутируемых сигналов. При этом необходимо заметить, что управляющие сигналы с микроконтроллера 12 только дают разрешение, не оказывая никакого дестабилизирующего фактора на сам процесс прохождения импульсов с усилителей-ограничителей 4 и 5. А это означает, что фронты выходных импульсов обеих схем «ИЛИ» 17 и 18 жестко синхронизированы сигналами с прямых и инверсных выходов усилителей-ограничителей 4 и 5.
ω
Длительность сигналов выходных триггеров 6 и 7 составляет 1,5T, следовательно, фазовая характеристики преобразователя 1 линейна в пределах 3π.
Таким образом, предложенное техническое решение реализует двухполярный принцип работы преобразователя, обеспечивая при этом расширение его фазовой характеристики до 3π.
Предложенное техническое решение с применением потенциальных логических схем «И» и «ИЛИ» с учетом их полной симметрии обеспечивает предельно достижимую фазовую идентичность обоих каналов преобразователя. С учетом того что типичное значение времени задержки распространения сигналов для ЭСЛ логики составляет 350 пс, можно утверждать, что разрешающая способность данного коммутационного преобразователя фазовых сдвигов в диапазоне частот до 1 МГц составляет сотые доли градуса.
Следовательно, предлагаемое техническое решение является новым, обладает изобретательским уровнем и промышленно применимо, т.е. удовлетворяет критериям, предъявляемым к изобретениям.