SU1345307A1 - Фазовый датчик - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к области радиотехнических измерений и может быть использовано в системах автоматической настройки радиоустройств. Целью изобретени   вл етс  повышение точности измерени  сдвига фаз в диапазоне tl80 и расширение динамического диапазона устройства. Дл  достижени  поставленной цели в устройство, содержащее входные клеммы 1 и 2, фазовращатель 5 на 90°, перемножители 6 и 7, интеграторы 8 и 9 и выходную клемму 16, дополнительно введены детекторы 3 и 4 нул , компараторы 10 и 11, аналоговый мультиплексор 12, управл емый повторитель-инвертор 13, источник 14 образцового напр жени  и аналоговый вычитающий блок 15. Устройство по сравнению с прототипом обеспечивает более широкий диапазон измер емых сигналов, определ емый только качественными пар аметрами детекторов НУЛЯ. 4 ил. о (Л СО 4 СП СО Г6

Description

Изобретение относитс  к радиотехническим измерени м и системам автоматической настройки радиоустройств.

Целью изобретени   вл етс  повышение точности измерени  сдвига фаз в диапазоне +180 и расишрение динамического диапазона устройства..

На фиг,I приведена схема фазового датчика; на фиг.2, 3 - характеристики фазового детектора; на фиг.4 - характеристика фазового датчика.

Фазовый датчик содержит входную клемму 1, входную клемму 2, детектор 3 нул , детектор 4 нул , фазовращатель 5 на до (ФВ 5 на 90), перем- ножитёль 6, перемножитель 7, интегратор 8, интегратор 9, компаратор 10, компаратор 11, аналоговый мультиплексор (AM) 12, управл емый повторитель- инвертор (УПИ) 13, источник образцового напр жени  (ИОН) 14, аналоговый вычитающий блок (АВБ) 15, выходную клемму 6.

Входна  клемма 1 соединена с входом детектора 3 нул . Входна  клемма 2 соединена с входом детектора 4 ну- .п . Выход детектора 3 нул  соединен входом ФВ 5 на и первым входом п рем1-южл ге,.л  6. Выход детектора 4 нул соединен с вторым входом перемножител  6 и первым входом перемножител  7 Выход ФВ 5 на 90 соединен с вторым

входом перемножител  7. Выход перемножител  6 соединен с входом интегратора 8. Выход перемножител  7 соединен с входом интегратора 9, Выход интегратора 8 соединен с входом компаратора 1 1 , Выход интегратора 9 соетдинен с входом компаратора 10 и первым вхо- дом УПИ 13. Выход компаратора 11 соединен с первым входом Atl 1 2 и вторым входом УПИ 13. Выход компаратора 10 соединен с вторь1м входом AM 12, Третий и четвертый зходы Ж 12 соедипе- ны соответственно с первым и вторьп-i выходами- ИОН 14. Выход AM 12 соедине с первым входом АВБ 15. Выход УПИ 13 соединен с вторым входом АВБ 15 Выход АВБ 15 соединен с выходной клем- мой 1 6,, котора   вл етс  выводом фазового датчика.

Фазовый датчик работает следующим образом,

Опорный сигнал подаетс  на вход- ну10 клемму I. и далее поступает на детектор 3 нул . Последний фиксирует переходы опорного сигнала через нуль при этом положительным значени м опор

у

ного сигнала соответствует состо ние 1 на выходе детектора 3 нул , а отрицательным значени м опорного сигнала соответствует состо ние О на выходе детектора 3 нул . В фазовом датчике состо нию О соответствует напр жение , много меньшее напр жени  отсечки кремниевых транзисторов, составл ющих основу современной микросхемотехники , т;е. много меньшее 0,3-0,5 В. Напр жение 1 на выходе детектора 3 нул  должно намного превышать напр жение отсечки кремниевых

транзисторов, т.е. должно быть много больше 0,3-0,5 В. Наличие таких уровней напр жени  на выходах детекторов 3 и 4 нулей (детектор 4 нул  идентичен детектору 3 нул ) необходимо дл  работы транзисторов перемножителей 6 и 7 в ключевом режиме, соответствующем нахождению этих транзисторов в процессе работы в двух состо ни х: отсечки и насыцени .

Пр моугольные импульсы, приближающиес  по форме к меандру, поступают с выхода детектора 3 нул  на первый вход перемножител  6 и вход ФВ 5 на 90, а с вывода детектора 4 нул  на второй вход перемножител  6 и первый вход перемножнтел  7, На второй вход которого поступают задержанные по фазе на 90 пр моугольные импульсы с выхода ФВ 5 на 90°. Перемножители б и 7 представл ют собой аналоговые перемножители сигналов, реализующие следующую функцию:

аы.

(t) k-UaxiCt) -и 6X1 (t), (1)

напр жение на выходе перемножител ; масштабный коэффициент, завис щий от типа перемножител ; напр жение на первом входе перемножител ; напр жение на втором входе перемножител . ые сигналы Uey,(t) и

у

и

ЬК1

(t) представл ют собой косинусоидальные колебани  одной чгютоты, выходное напр жение перемножител  имеет вид:

то

и

аи (t)k U,cosojt - U2cos(u)t+g )

k.U5U,- cosif+co3(2u)t:+4 ) ,

(2)

10

3 1345307

U , и - амплитудные значени  ко- синусоидалъных колебаний , поступающих на первый и второй входы пе- ремножител ;

4 - сдвиг фаз косинусоидаль- ными колебани ми, поступающими на первый и второй входы перемножител . становленный на выходе перемнол  интегратор реализует функцию тра нижних частот и предназначен ильтрации составл ющей с удвоенчастотой 2ш. С учетом этого наение на выходе интегратора имеет

2 UiU2 °S U/«a«P°S 3)

v,aKC 2 .

ледствие четности функции косиодинаковым по абсолютной величиложительному и отрицательному

НО по ни оп зн то

но фа сл

8 ти 15 ву пе 13 ин же ло ме т. ли вы

20

сдвигам фаз между колебани ми на пер- 25 ни  остальных входов AM 12, присутством и втором входах перемножител  соответствуют напр жени  одной величины и одного знака. Характеристика фазового детектора, выполненного на перемножителе и интеграторе имеет вид, показанный на фиг.2.

При подаче на входы аналогового перемножител  импульсных колебаний пр моугольной формы напр жение на выходе интегратора имеет вид

Usbuu)

I - f|пpн 0 ) ,ч при-П &0..

где и

Им

максимальное напр жение на выходе интегратора, завис щее от параметров перемножител .

Характеристика вида (4) представлена на фиг.З сплопшой линией. Така  характеристика фазового детектора более предпочтительна дл  проведени  измерений сдвига фаз вследствие ее линейности, однако, она, как и характеристика , показанна  на фиг.2, не позвол ет однозначно определить знак сдвига фаз.

При подаче на один из входов перемножител  опорного импульсного колебани  пр моугольной формы, сдвинутого по фазе на 90 , можно видоизменить форму характеристики фазового детектора, показанную на фиг.З сплош0

НОИ линией, и привести ее к виду, показанномуна фиг.З пунктирной линией . Така  характеристика позвол ет определить знак сдвига фаз, но однозначный отсчет сдвига фаз возможен только в диапазоне от минус 90 до 90 .

Цель изобретени  - повышение точности измерений при измерении сдвига фаз в диапазоне +180° - достигаетс  следующим образом.

При наличии на выходе интегратора 8 напр жени  положительной пол рности на выходе компаратора 11 присутст- 5 вует напр жение 1, поступающее на первый вход AM 12 и второй вход У11И 13-. При этом УПИ 13 вьтолн ет роль инвертора, т.е. мен ет знак напр жени  на первом входе на противоположный и передает напр жение без изменени  абсолютной величины на выход, т.е. на второй вход АВБ 15. При наличии на первом входе AM 12 1 на выходе AM 12, независимо от состо 0

0

бых

вует напр жение, равное нулю. АВБ 15

производит след5тощую математическую

операцию:

и вых АВ6 Uftxi - Ugx2 (5)

где Пц, л8Е напр жение на выходе

АВБ I5 и выходной клемме 1 6;

-напр жение на первом входе АВБ 15;

-напр жение на втором входе АВБ 15.

Таким образом, при указанном состо нии входов AM 12 напр жение на выходе АВБ 15 определ етс  следзтощим Q образом:

и

6X1

5

и

2

и

8ЫХ АВБ

0-(-из1,1х из) -Usbix ИЗ (6)

где и., „о напр жение на выходе ин- оыл иэ

тегратора 9.

При изменении сдвига фаз на вхо- 5 Дах фазового датчика в диапазоне

90 напр жение с выхода фазового детектора , образованного ФВ 5 на 90, перемножителем 7 и интегратором 9, поступает непосредственно на выход фазового датчика.

Рассмотрим случай сдвига фаз на входе фазового датчика в диапазоне

от 90 до 180°. При этом на выходе интегратора 8 присутствует напр жение отрицательной пол рности (фиг.З), на выходе компаратора I 1 - напр 5ке- ние О, поступающее на первый вход AM -12 и второй вход УПИ 13. УПИ 13 в этом случае не инвертирует входной

0

5

сигнал и передает его с первого входа на выход и на первый вход АВБ 15 без изменени . На выходе интегратора 9 присутствует напр жение положительной пол рности (фиг.З), а на выходе компаратора 10 - напр жение 1, поступающее на второй вход AM 12. На третий и четвертый входы AM 12 соответственно с первого и второго выходов ИОН 14 подаютс  два образцовых напр жени , равных минус 2Uj, и 2U(,, При наличии на первом входе AM 12 О, а на втором входе AM 12 - 1 на выходе AM 12 присутствует напр же- ние, равное 2U. При этом напр жение на выходе АВБ 15 определ етс  следующи образом:

ЛВБ 2U(- и jbix ы9- (7) Рассмотрим теперь случай сдвига фаз на входе фазового датчика в диапазоне от минус 180 до минус 90. При этом на выходе интегратора 8 присутствует напр жение отрицательной

-2U

и

- и

8ЯХ И 9

Usux(f)

и

ВЫх

2иим- и

Вых U9

Форма характеристики представлена на фиг.4, откуда видно, что характеристика фазового датчика  вл етс  линейной в диапазоне изменени  сдвига фаз ±180 и позвол ет в этом диапазоне производить однозначный отсчет показаний величины и знака сдвига фаз. При этом дл  измерени  абсо- .пютной величины сдвига фаз используетс  только один фазовый детектор, образованный перемножителем 7, ФВ -5 на 90° и интегратором 9, а фазовый детектор, образованный перемножителем 6 и интегратором 8,  вл етс  необходимым только -дл  определени  диапазона изменени  сдвига фаз и в количественном определении сдвига фаз участи  не принимает, что позвол ет определить точность измерени  сдвига фаз путем участи  в количественных измерени х только одного фазового детектора .

Динамический диапазон датчика определ етс  только чувствительностью детекторов 3 и 4 нул , котора  может быть весьма большой при использовани

0

пол рности (фиг.З), а на выходе компаратора И - напр жение О,- поступающее на первый вход AM 12 и второй вход УПИ 13. В этом случае УТШ 13 также не инвертирует входной сигнал и передает его с первого входа на выход и на первый вход АВБ 15 без изменени . На выходе интегратора 9 присутствует напр жение отрицательной пол рности (фиг.З), а на выходе компаратора 10 - напр жение О, поступающее на второй вход AM 12. При наличии -на первом и на втором входах, AM 12 О на выходе AM 12 присутствует напр жение, равное минус 2и,„.При этом напр жение на выходе АВБ 15 определ етс  следующим образом:

ВЫХ АБЁ им и 5(,,х 149- (8)

Таким образом, в зависимости от знака и величины сдвига фаз сигналов на входах характеристику фазового датчика можно представить математически:

при

- л (/ . - 2

при

(9)

при

6 с

5

0

5

0

5

в качестве детекторов нул  компараторов напр жени .

По сравнению с прототипом фазовый датчик обеспечивает повышенную точность измерени  сдвига фаз в диапазоне . ±180, поскольку при количественном измерении сдвига фаз используетс  сигнал только с одного фазового детектора , образованного перемножителем и интегратором, а второй фазовый детектор используетс  только дл  оп-. ределени  квадранта, которому-соответствует измер емый сдвиг фаз. Кроме того, обеспечиваетс  однозначность отсчета показаний при измерении сдви- га фаз в диапазоне t180°(характеристика фазового датчика линейна и однозначна в диапазоне 1180°), а также широкий динамический диапазон измер емых сигналов, определ емый только качественными параметрами детекторов нул . .

Claims (1)

1. Формула изобретени  I .

   Фазовый датчик, содер):ащий фазовращатель на 90 , первый и второй

   перемножители и первый и второй интег раторы, первый вход первого перемножител  соединен с входом фазовращател  на 90, второй вход первого перемножител  соединен с первым входом второго перемножител , выход фазовращател  на 90°соединен с вторым входом второго перемножител , выходы первого и второго перемножителей сое динены с входами первого и второго интеграторов, отличающий- с   тем, что, с целью повышени  точности измерени  сдвига фаз в диапазоне ±180°и расширени  динамического диапазона, в него введены два детектора компаратора, аналоговый мультиплексор, управл емый повторитель-инвертор , источник образцового напр жени  и аналоговый вычитающий блок, вход первого детектора нул   вл етс  первым входом датчика, а его выход соединен, с первым входом первого перемножител , вход второго детектора нул   вл етс  вторым вхо -

   345307 . 8

   - дом датчика, а его выход соединен с первым входом второго перемножител , выход первого интегратора соединен с входом первого компаратора, выход которого соединен с первым входом аналогового мультиплексора и первым входом управл емого повторител -инвертора , выход второго интегратора соеди- 10 нен с входом второго компаратора и вторым входом управл емого повторител -инвертора , выход второго компаратора соединен с вторым входом аналогового мультиплексора, третий и 15 четвертый входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами источника образцового напр жени , выход аналогового мультиплексора соединен с первым входом аналого 20 вого вычитающего блока, выход управл емого повторител -инвертора соединен с вторым входом аналогового вычитающего блока, выход которого  вл етс  выходом фазового дат- 25 чика.

   180Jf,

   дзи&.2

   UBbfy.

   фие.З

   2UuJ

   Udtiixi

   фи&А

   Составитель С.Кулиш, .

   Редактор Н.Слобод ник Техред Л.Олийиык Корректор И.Шулла

   Заказ 4930/53Тираж 900Подписное

   ВНИИПИ Госудс1рственного комитета СССР

   по делам изобретений н открытий 113035, Москва, , Раушска  наб., д.4/5

   Производственно-поошграфическое предпри тие,г.Ужгород,ул.Проектна ,4