Фіксатор фазових циклів

Фіксатор фазових циклів, який здійснює підрахунок фазових циклів, що складається з послідовно з'єднаних підсилювачів-обмежувачів, лінії затримки на чверть періоду опорного коливання, двох D-тригерів, дво х одновібраторів, двох елементів 2І та реверсивного лічильника, причому вихід першого підсилювача-обмежувача під'єднано до D-входу першого D-тригера та через лінію затримки до D-входу другого D-тригера, вихід другого підсилювача-обмежувача підключено до тактових входів обох тригерів, ви хід першого D-тригера під'єднаний до тактових входів обо х одновібраторів, які спрацьовують за позитивним та негативним тактовим перепадом відповідно, виходи одновіб 36079 рного коливання із одночасним збільшенням швидкодії та розширенням функціональних можливостей, а також збільшенням можливостей інтеграції пристрою. Завдання вирішується тим, що в прототип додатково введено два N-фазні (N>2) фазорозщіплювачі опорного та вимірювального каналів (0°, 1/N×3600, 2/N×3600 ... (N-1)/N×360°), два блоки із N D-тригерів вимірювального та опорного каналів та N-розрядну схему співпадання та аналізу. На фіг. 1 приведена структурна схема фіксатора фазових циклів. Пристрій складається із двох еквідістантних N-фазних фазорозщіплювачів 1 та 2 (N>2), входи яких є першим та другим входами пристрою, двох блоків із N D-тригерів 3 та 4 та схеми співпадання та аналізу 5, при цьому, виходи еквідістантного N-фазного фазорозщіплювача 1 послідовно під'єднано до усіх входів С блоку із N D-тригерів 4, а виходи еквідістантного N-фазного фазорозщіплювача 2 послідовно під'єднано до усіх входів С блоку із N D-тригерів 3, крім того D-входи блоку із N D-тригерів 3 під'єднано до К-го виходу (1£K£N) еквідістантного N-фазного фазорозщіплювача 1, D-входи блоку із N D-тригерів 4 під'єднано до К-го виходу еквідістантного N-фазного фазорозщіплювача 2, всі Q-виходи тригерів блоку із N D-тригерів 3 послідовно під'єднано до А-входів схеми співпадання та аналізу 5, а всі Q-виходи тригерів блоку із N D-тригерів 4 послідовно під'єднано до В-входів схеми співпадання та аналізу 5, перший вихід якої CYCL є першим виходом пристрою, другий ви хід ERROR схеми співпадання та аналізу 5 є другим виходом пристрою. Пристрій працює наступним чином. На перший та другий входи пристрою подаються імпульсні послідовності f(t) та f0(t). Входи пристрою, внаслідок повної симетрії схеми є еквівалентними для вхідних сигналів. На ви ходах еквідістантних N-фазних фазорозщіплювачів 1 та 2 формуються сигнали аналогічні f(t) та f0(t), але зсунуті по фазі один відносно іншого на 1/NЧ360°, а саме: 0°, 1/N×360°, 2/N×360° ... (N-1)/N×360°. Блок із N D-тригерів 3 виконує функцію запам'ятовуючого пристрою, що проводить фіксацію значень К-го (1£K£N) фазового стану сигналу f0(t) ((K-1)/N×360°) еквідістантного N-фазного фазорозщіплювача 1 у моменти часу, що відповідають однойменним цифровим (позитивним або негативним) переходам цифрових фазних сигналів f(t) на виходах еквідістантного N-фазного фазорозщіплювача 2. Блок із N D-тригерів 4 виконує функцію запам'ятовуючого пристрою, що проводить фіксацію значень К-го фазового стану сигналу f(t) еквідістантного Nфазного фазорозщіплювача 2 у моменти часу, що відповідають однойменним переходам цифрових фазних сигналів f0(t) на вихода х еквідістантного Nфазного фазорозщіплювача 1. Схемою співпадання та аналізу 5 здійснюється порівняння значень цифрового N-розрядного паралельного коду, що формується на виходах D-тригерів блоку із N Dтригерів 3 та блоку із N D-тригерів 4 з урахуванням розташування розрядів, при співпаданні кодів на першому ви ході схеми 5 формується активний логічний рівень, який зберігається на час, не більший за Тmin/N, де Тmi n - мінімальний період вхідних сигналів f(t) та f0(t). В результаті на першому виході пристрою формується послідовність коротких ім пульсів, поява яких відповідає переходу у наступний фазовий цикл. Частота слідування імпульсів дорівнює модулю різниці частот. Роботу схеми можна пояснити за допомогою кругових векторних діаграм фіг. 2 (а, б). Візуальною моделлю розробленого фіксатора фазових циклів є два кола, що обертаються одне навколо іншого. Кола різних діаметрів, діаметри пропорційні періодам (або частотам) сигналів f(t) та f0(t). Менше коло обертається навколо великого (фіг. 2 (а)) і навпаки (фіг. 2 (б)). В зазначеній моделі використано еквідістантний фазорозщіплювач із N=4, найбільш придатний для втілення у двійковій цифровій арифметиці. Радіус-вектори з кінцями у точках 1, 2, 3, 4 є моделлю фазових станів f(t) та f0(t) на виході еквідістантних 4-фазних фазорозщіплювачів. В результаті обертів зовнішніх кіл точки 1, 2, 3, 4, послідовно торкаються нерухомого кола у зонах «0» або «1». Зони «0» та «1» є моделлю значень К-го (1£К£4) фазового стану сигналів f(t) та f 0(t). Момент дотику є моделлю моменту фіксації цих значень у тригерах блоків 3 та 4 (див. фіг. 1) відповідно. Неперервно порівнюючи послідовно взяті N значень, фіксують моменти співпадання, коли повний фазовий набіг досліджуваного сигналу відносно опорного змінюється на 360°, тобто коли здійснюється перехід у новий фазовий цикл. Таке припущення справедливе при умові, що в зоні «1» («0») при обертанні кіл із радіус-векторами, послідовно перебуватимуть не більше 3-х точок із 1, 2, 3, 4. В протилежному випадку виникне ситуація пропуску фазового циклу або неадекватної роботи схеми. Таким чином, для моделі фіг. 2 (а) повинна виконуватись умова правильної фіксації фазових циклів, а саме: довжина півкола радіуса R1 не повинна перевищувати три чверті довжини кола радіуса R2: pR1 £ 3 2p R2 . 4 (1) Якщо R1 та R2 еквівалентні періодам досліджуваних сигналів, то (1) переходить в умову (2) 1 Т1 £ 1 Т 2 , 2 (2) 2 Т 2 £ Т1 . 3 (3) де Т1 та Т2 - періоди сигналів f(t) та f 0(t) відповідно. Обмеження (2) є обмеженням і для швидкості зміни фазового стану відносно періоду зверху. Щоб розглянути обмеження знизу, необхідно згадати, що схема симетрична відносно вхідних сигналів, тобто змінюються індекси радіусів R (фіг. 2 (б)), умова (2) переходить у (3): Загалом, межі зміни частоти при фіксації фазових циклів пристроєм із N=4 визначаються умовою: 2 3 f 0 ( t ) £ f ( t) £ f 0 ( t ) , 3 2 що є значно ширшою за [2], для якого вона становить: 3 1 f0 (t ) £ f (t ) £ 1 f0 (t ) . 4 4 2 36079 Для довільного значення N частотні обмеження використання розробленого пристрою становлять: фіг. 4 (н) відповідно. Активний рівень сигналів виходів пристрою - високий. Із діаграми фіг. 3 (а-н) видно, що на першому виході пристрою формуються імпульси із частотою, що дорівнює модулю різницевої частоти f(t) та f0(t) (імпульси фазових циклів), при цьому на другому ви ході завжди присутній низький логічний рівень, що фіксує нормальний режим роботи пристрою. Навпаки, на діаграмі фіг. 4. показано, що одночасно із імпульсами на першому виході, з'являються імпульси на другому виході пристрою, фіксуючи які можливо констатува ти ситуацію ви ходу за межі робочого діапазону швидкості зміни фазового стану для даного значення N. Таким чином, застосування нової схеми фіксації фазових циклів призводить до розширення діапазону зміни фази за час опорного коливання до 360° при N, появі можливості фіксації режиму невірного функціонування та збільшення швидкодії. Всі функціональні блоки пристрою (фіг. 1) широкого застосування та легко підлягають інтеграції. Моделювання роботи схеми у різних режимах за допомогою САПР показало повну адекватність моделі фіг. 2. Позитивний ефект у порівнянні із прототипом полягає у: розширенні діапазону зміни фаз (частот) досліджуваного сигналу при фіксації фазових циклів; можливості фіксації невірного функціонування при некоректно обраних діапазонах вхідних сигналів; збільшенні швидкодії пристрою за рахунок відсутності генераторних (одновібраторних) схем; покращанні можливостей інтеграції приладу, особливо при застосуванні мікросхем із програмованою логікою роботи. Джерела інформації. 1. Орнадский П.П. Автоматические измерения и приборы. – К.: «Выща школа», 1973. 2. А. С. № 1298682 (СССР) Устройство счета фазовых циклов / Троцишин И.В. Опубл. в Б.И. 1987 № 11. N N -1 f0 ( t ) £ f ( t ) £ 2 f 0 ( t ) . (4) 2( N - 1) N Умова (4) еквівалентна розширенню діапазону зміни фаз досліджуваного сигналу за період опорного в залежності від N до ±360°. Чим більше значення N, тим ближче діапазон до ±360°, але при цьому зростає апаратурна складність, насамперед в аспекті утворення еквідістантних фазорозщіплювачів. При невиконанні умови (4) на виході всіх Dтригерів блоків 3 або 4 (фіг. 1) в деякий момент часу з'являється високий або низький логічний рівень, що фіксується схемою співпадання та аналізу 5, яка формує активне значення на другому виході пристрою ERROR, що є індикатором неадекватності роботи пристрою. На фіг. 3 (а-н) наведені діаграми роботи пристрою для N=4 та К=1 у випадку нормальної роботи при виконанні умови (4), а на фіг. 4 (а-н) для випадку не виконання умови (4). Діаграми фіг. 3 (а-г) та фіг. 4 (а-г) показують значення вихідних сигналів еквідістантного фазорозщіплювача 1 (фіг. 1) для N=4 із відносним зсувом фази на 90° для опорного каналу f0(t). Діаграми фіг. 3 (д-і), та фіг. 4 (ді) відбивають значення вихідних сигналів еквідістантного фазорозщіплювача 2 (фіг. 1) для N=4 із відносним зсувом фази на 90° для вимірювального каналу f(t). Групові сигнали Q виходів D-тригерів блоку. D-тригерів 3 (фіг. 1)в десятковому коді показані на діаграмах фіг. 3 (к) та фіг. 4 (к). Групові сигнали Q виходів D-тригерів блоку D-тригерів 4 (фіг. 1) в десятковому коді показані на діаграмах фіг. 3 (л) та фіг. 4(л). Сигнали на першому виході пристрою (CYCL) для випадків нормальної та неадекватної роботи представлені на фіг. 3 (м) та фіг. 4 (м) відповідно. Сигнали на другому виході пристрою (ERROR) для випадків нормальної та неадекватної роботи представлені на фіг. 3 (н) та 3 36079 Фіг. 1 Фіг. 2 4 Фіг. 4 Фіг. 3 36079 5 36079 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 6