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 . [а.с. №655986 СССР, МПК G01R 25/00].
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.
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, МПК G01R 35/00 (2020.08)].
Недостатком данного устройства, является сложность обработки выходных импульсов схемы «ИЛИ» в полупериод коммутации прохождения опорного сигнала  через измерительный канал, так как 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.
В коммутационном фазовом преобразователе, выбранном в качестве прототипа, [патент №209566 РФ, МПК G01R 35/00 (2021.01)] для устранения выше указанного недостатка предложено использовать программируемый микроконтроллером фазовращатель, подключенный между выходом переключателя и входом усилителя-ограничителя измерительного канала. Недостатком данного устройства является влияние переходных процессов при воздействии на фильтр нижних частот выходных широтно-модулированных импульсов коммутационного фазового преобразователя.
Задачей полезной модели является расширение арсенала коммутационной фазоизмерительной аппаратуры, свободной от указанных недостатков.
Техническим результатом является повышение точности и быстродействия преобразования фазовых сдвигов.
Для достижения технического результата коммутационный преобразователь фазовых сдвигов, содержащий переключатель в одном из каналов с сигнальными входами по двум каналам, генератор коммутационных импульсов, подсоединенный к переключателю, программируемый фазовращатель, подключенный к выходу переключателя, 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 с выходной схемой «ИЛИ», а также элементы синхронизации, включающие первую и вторую двухвходовые схемы «ИЛИ», первую, вторую, третью и четвертую двухвходовые схемы «И» и микроконтроллер, имеющий пять управляющих выходов 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 пять управляющих выходов микроконтроллера подключены соответственно к программируемому входу фазовращателя и к входам 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 блоком токовой линеаризации широтно-модулированных импульсов, состоящий из временного селектора, подключенного к выходной схеме «ИЛИ», источника тока, вход которого соединен с выходом временного селектора, а выход с накопительным конденсатором и мультиплексором, подключенных к общей шине преобразователя, а также с сигнальным входом АЦП, выход которого соединен с третьим сигнальным входом микроконтроллера, шестой и седьмой дополнительные выходы которого подключены соответственно к управляющим входам мультиплексора и АЦП.
На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого коммутационного преобразователя фазовых сдвигов, а на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие принцип действия блока токовой линеаризации широтно-модулированных импульсов.
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, микроконтроллера 11, первой схемы «И» 12, второй схемы «И» 13, третьей схемы «И» 14, четвертой схемы «И» 15, двух двухвходовых схем «ИЛИ» 16 и 17, программируемого фазовращателя 18, временного селектора 19, источника тока 20, накопительного конденсатора 21, мультиплексора 22 и аналого-цифрового преобразователя 23.
Принцип действия преобразователя 1 следующий. Предварительно обозначим назначение его элементов, определенным образом структурированных и определяющих измерительные процедуры преобразователя 1.
Так, усилитель-ограничитель 4 совместно с первой 12 и третьей схемами «И» 14, а также со схемой «ИЛИ» 16, выходным триггером 6 и схемой «И» 8 составляют измерительный канал преобразователя 1. Соответственно усилитель-ограничитель 5 совместно со второй 13 и четвертой схемами «И» 15, а также со схемой «ИЛИ» 17, выходным триггером 7 и схемой «И» 9 составляют опорный канал преобразователя 1. Назначение программируемого фазовращателя 18 заключается в необходимости смещения «нулевой» точки преобразователи 1, примерно на 45°.
Отметим, что двухвходовые схемы «ИЛИ» 16 и 17, первая 12, вторая 13, третья 14 и четвертая 15 двухвходовые схемы «И», а также микроконтроллер 11 составляют элементы синхронизации коммутационного ключевого фазового детектора, обеспечивающие двухполярный режим работы преобразователя 1 с расширением его фазовой характеристики до .
Непосредственно, достижение технического результата обосновывается применением принципа токовой линеаризации широтно-модулированных выходных импульсов схемы «ИЛИ» 10 и осуществляется следующим образом. Данные импульсы через временной селектор 19 поступают на управляющий вход источника постоянного тока 20. Назначение временного селектора 19 заключается в формировании управляющих импульсов в моменты времени прохождения выходных импульсов схемы «ИЛИ» 10 и в паузы между ними. К выходу источника тока 20 подключен накопительный конденсатор , выходное напряжение которого изменяется по линейному закону. При этом в один полутакт конденсатор заряжается до напряжения , а во втором полутакте до напряжения .
Выходное напряжение конденсатора  преобразуется быстродействующим АЦП 23 в пропорциональное количество импульсов:  и . С учетом, что  измеряемый фазовый сдвиг определяется из выражения: .
Проведенный анализ токовой линеаризации широтно-модулированных импульсов позволяет сформулировать следующие отличительные особенности данного технического решения.
Во-первых, это быстродействие, так как, в отличие от метода низкочастотной фильтрации в данном устройстве отсутствуют переходные процессы, и минимальное время измерения не превышает длительности одного такта.
Во-вторых, это одноканальность измерительного тракта, что полностью исключает аддитивные погрешности преобразования, а мультипликативная погрешность может быть оптимизирована при соответствующем выборе разрядности АЦП.
В-третьих, поскольку результат измерения фиксируется в каждом такте, то для достижения предельной точности измерения возможно применение метода статистического усреднения.
Таким образом, предложенное техническое решение позволяет решить поставленную техническую задачу, является новым, промышленно применимым, т.е. удовлетворяет критериям, предъявляемым к полезным моделям.