Устройство разрешения многозначности фазовых измерений — SU 993146 (original) (raw)
ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТЬРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскИхСоциалистическихРеспублик(22) Заявлено 25,05; 81(21) 3292911/18-21 15 т 1 М. КЛ. с присоединением заявки М 6 01 В 25/00 Государственный комитет СССР по делам изобретений ,и открытийОпубликовано 300183.Бюллетень Мо 4 Дата опубликования описания 30. 01. 83(72) Авторизобретения И.Г.Неплохов 71 Заявите ВО РАЗРЕШЕНИЯ МНОГОЗНАЧНОСТФАЭОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ(54) о Изобретение относится к измерению электрических. величин, в частности .к измерению Фаз сигналов, диапазон изменения которых значительно превеавает 360Устройство может быть использовано в многошкальных Фазовых измерителях многозначности фазового отсчета.Известно устройство устранения, 1 О содержащее генераторы селекториых импульсов и элементы И, причем выход первого генератора селекторных импульсов соединен.с одним из входов первого элемента И, вход - с одним из входов второго элемента И, кроме того, выход второго генератора селекторных импульсов соединен с другйм входом второго элемента И,вход - с другим входом первого элемента И 13.Основным недостаткомустройства является низкое быстродействие, обусловленное необходимостью использования фазовременного преобразо вания. Кроме того, устройство характеризуется невысокой достоверностью измерений, т.е. большой вероятностью неправильного определения числа целых периодов фаэ, вследствие нсгользования лишь двух измерительных шкал. Известно устройство. раскрытия многозначности Фазовых измерений,держащее блок ввода поправки и следовательно соединенные блок ряжения точной шкалы, сумматор, блок. вычисления остатков, блок анализа, блок вывода результата, причем второй выход блока анализа соединен с входом блока ввода поправки, выход которого соединен с вторым входом суьматора, выход которого соединен с вторым входом блока вывода результата 23.Известное устройство обладает довольно высокой достоверностью измерений, однако быстродейстВие устройства - из-за необходимости вычисления наборов остатков для мн жества значений остается низким. Причем этот недостаток усугубляется при увеличении масштаба. точной шкалы измерителя, т.ек при повышении его точности. Кроме того, в устройст ве определяется только число целых циклов фазы измерений по точной шкале, в результате чего не реализуется потенциальная точность измеритеЦель изобретения - повышение быобеспечением высокой достоверностиизмерений.Поставленная цель достигается тем,что в устройство разрешения. многозначности фазовых измерений., содержащее щ фазовых датчиков, щ5блоков определения остатка от округления, всумматор, введены в,щ-входовых весовых сумматоров, щ блоков округления до целого, ш-вблоков умножения, щ блоков определе" 10ния числа целых циклов, щ- входовой весовой сумматор, элементсравнения, причем выходы щ фазовыхдатчиков соединены с соответствуюшими входами гп-, входовых весовых 15сумматоров, выход каждого из которых соединен с входом соответствующего блока определения остатка отокругления и с входом блока округления до целого, выход которого соединен с входом каждого иэ щ блоковопределения числа целых циклов,через последовательно соединенныесумматор и соответствующий блок умнОжения, кроме того, первые выходыблоков определения остатка от округления соединены с вторыми входамисоответствующих сумматооов, вторыевыход - с входами п 1-1"входового ве.сового сумматора, выход которого соединен. с первым входом элемента сравнения, при этом к выходу элементасравнения подключены третьи входясумматоров, а к второму входу -клемма порогового кода,В предлагаемом устройстве разрешение многозначности производитсяпосредством вычисления щ-ой координаты проекции щ-мерного вектора измерений фаэ на гиперплоскость, перпендикулярную вектору масштабных 40коэффициентов шкал измерителя, ИЭгеометрической интерпретации разрешения многозначностиследует, чтогиперплоскость разбивается на такназываемые собственные или однозначные области. Точкам каждой из областей соответствуют определенные наборычисел целых циклов.Для данных масштабных коэффициентов шкал измерителя можно определить однозначное соответствие между п 1-1 координатами каждого из центров однозначных областей и набором щ чисел целых циклов, Кроме того, для оптимальных по критерию максимума 5 д достоверности масштабных коэффициентов существуют вполне определенные расположения центров однозначных областей для каждого значения щ.Центры однозначных областей нахо дятся а вершинах пг,1-мерных прямоугольных параллелепипедов соответствующих размеров и в их центрах. На гиперплоскости выбирают базис таким образом, чтобы центры паралле лепипедов имели целочисленные координаты, а вершины - полуцелочисленные координаты. В этом случае в центральной части параллелепипеда находится одна однозначная область целиком, причем одна часть ее границы совпадает с геранями параллелепипеда, а другая часть определяется линейным уравнением модулей разностей координат проекции вектора измерений фаз и координат ценптра параллелепипеда. В каждом из 2 углов параллелепипеда находится 1/2 П " часть другой однозначной области, центр которой совпадает с соответствующей вершиной параллелепипеда.При таком выборе базиса легко определить для любой точки гиперплоскости координаты ближайшего (что соответствует разрешению многозначности методом максимального правдоподобия) центра однозначной области, Действительно, округляя координаты точки до целового числа, находим координаты центра параллелепипеда, т.е. координаты центральной однозначной области. Сравнивая взвешенную сумму модулей остатков от округления с постоянной величиной, фиксируем, в случае не превышения ее, попадание точки в центральную однозначную область, в противном случае в одну из угловых областей. В последнем случае координаты центра соответствующей однозначной области вычисляются посредством прибавления к координатам центра параллелепипеда чисел 0,5 с соответствующими знаками еКроме того, так как укладка центров однозначных областей является решетчатой, то имеется простая, в данноМ базисе аналитическая связь между координатами центра однозначной области и искомым набором чисел целых циклов, а именно: при изменении величин координат центров однозначных областей пропорционально изменяются значения чисел целых циклов с определенными коэффициентами пропорциональности по каждой координате.В соответствии с этим числа целых циклов, соответствующие измеренным значениям фаз, определяются посредством почленного сложения в-го набора щ чисел, постоянных для данных масштабных коэффициентов шкал измерителя, с весами, равными значениям найденных координат центра однозначной области.Таким образом, в предлагаемом устройстве при разрешении многозначности фазовых измерений используются определенность форм однозначной области, а также связь между ее расположением на гиперплоскости и соответствующими в числами целых циклов,35 вследствие чего отпадает необходимость в переборе векторов неоднозначности.Кроме того, разбиение гиперплоскости на однозначные области описанным Выше образом совпадает с:разбиением при разрешении многозначности. по методу максимума правдоподобия, а это обуславливает получение максимально возможной достоверности измерений 10За счет этого достигается высокое быстродействие устройства,практически не зависящее от числашкал и их суммарной неоднозначности,и обеспечивается высокая достоверность измерений.На фиг.1 изображена функциональная схема устройства; на Фиг.2расположение однозначных областей,их центров, соответствующие им значения чисел целых циклов и параллелепипеды (изображены пунктиром) дляслучая масштабных коэффициентовшкал 14,9,8; на фиг.З - периодынеоднозначности шкал измерителя 25(обозначены черточками) и значенияфазовых измерений по шкалам (обеспечены кружками 0,0,99, 0,5) с учетом неоднозначности, и значенияполных Фаз после разрешения многозначности (отмечены точками); нафиг.4 - значения фазовых измеренийпо шкалам 0,95; 0,12; 0,3; нафиг.5. - значения измерений по шкалам 0,3 у 0,77 0,7.Устройство состойт из щ Фазовыхдатчиков 1, ш, в-входовых весовыхсумматоров 2, щблоков 3 округления до целого, щблоков 4 определения Остатка От Округления щ, 40сумматоров 5, пР-щ блоков б умножения, щ блоков 7 определения числацелых циклов, ш-входового весового сумматора 8, элемента 9 сравнения, клеммы 10 порогового кода, причем выходы в фазовых датчиков 1соединены с соответствующими входами щ-входовых весовых сумматоров 2,выход каждого из которых соединен свходом блока 4 определения остаткаот округления и с входом блока 3округления до целого, выход которого соединен с входом каждого из щблоков 7 определения числа целыхциклов через сумматор 5 и соответствующий блок б умножения. Кроме того,первые выходы блоков 4 определенияостатка от округления соединены свторыми входами соответствующих сумматоров 5,вторые вйходы - с входамищ-входового весового сумматора 8, 60выход которого соединен с входомэлемента 9 сравнения, при этом к выходу элемента 9 сравнения подключенытретьи входы сумматоров 5, а второй ее вход соединен с клеммой, 65 устройство работает следующимобразом: щ Фазовых датчиков 1 измеряют значения дробных частей фазфф которые в виде двоичнйх параллельных ариФметических разрядных (2" соответствует 360 ) кодовпоступают на входы в-входовых весовыхсумматоров 2. В каждом весовом сумматоре 2 производится умножениезначений Ч, Ч ,Ч на соответствующие постоянные коэффициенты исуммирование, в результате чего сих выходов снимаются щзначений .величин ( 7 .1= а и+а,а 4+.+а, Мп,1 г= аг + гг%++аа. ееЧго- ат-ф, +ащ а 1+.+ащ- ь,юКоэффициенты а; в весовых сумматорах 2 выбраны таким образом, чтобыновые оси координат были перпендикулярны между собой и,кроме того,перпендикулярны вектоРу То-(1 о,Ч.о 2." Ч.ого)Тгде; - целочисленный масштабныйкоэффициент 1-ой шкалы. При:этомвсе координатные оси проходят черезцентры однозначных областей, причемвиз них - через центры ближайшихк началу координат однозначных областей; Масштабы по осям выбранытаким образом, что центры однозначных областей имеют координаты К,Е, щ или К+0,5 р В +0,5 у в+0,5,где К, Ю, т - целые.С выходов весовых сумматоров 2 величины ,,( в виде двоичных арифметических параллельных кодовпоступают на входы блоков 3 округления до целого и блоков 4 определенияостатка от округления. В блоках 3округления до целого производитсяопРеДеление ближайших к 1, Ч,2,ющ .целых чисел (1, ), (1 7( , )Таким образом производится ойре-.деление координат центра параллелепипеда, в котором находится проекциявектора измерений, фаэ, а следова"тельно, и координат соответствую- .щей центральной однозначной области.Каждое из полученных значений ввиде параллельного арифметическогокода поступает на первый вход соответствующего сумматора 5.Кроме того, коды чисел1пс выходов т-входовых весовыхсумматоров 2 поступают на входыблоков 4 определения остатка от округления. В блоках 4 определенияостатка от округления определяютсямодули величин а 49.аЧна которые изменяются величиныЪ,..после округления до целого, и их знаки. Информация о последних в виде сигналов, уров-,ней логической единицы или нуля спервыхвыходов блоков 4 определенияостатка до округления поступает навторые входы соответствующих сумматоров, а коды абсолютных значений величин дй 2 Л.со вторыхвыходов йоступают на вхож в-входового весового сумматора 8, где определяется их взвешенная сумма;40 где Ь= 0, при ЫЙпар0, 5 при Й Й пар знак Ь; совпадает со знаком величины д.С выходов сумматоров 5 снимаются найденные коды координат центра однозначной области, каждый иэ этих кодов далее поступает на входы щ блоков б умножения, где производится умножение на постоянные коэффициенты с 1 1, где 3.=1-1 п ) = 1-(щ) .В блоках 7 определения целых циклов происходит суммирование величин, которые поступают на их вхо,ж с выходов блоков б умножения 45 50 55 М =с +с с11 С 1 1 гтг - ъвЙг - -С 21 ( + С 22г+ + С 2( а 60)4 =с и+с +. с т гп 1 ч п 12 (2 " н 3 ттои определение числа целых циклов Й=Рд 1(+Р 2 (а (2++Р,аДалее значение величины Й с выхода в-входового весового сумматора 8 поступает в виде параллельного дво ичного арифметического кода на первый вход элемента 9 сравнения, а на второй ее вход поступает пороговый код с клеммы 10 порогового кода.Если величина Й меньше значения Йпар порогового кода, то с выхода элемента 9 сравнения на третьи входы сумматоров 5 поступает нулевой код, что соответствует случаю попадания проекции вектора измерений 20 фаз центральную, однозначную область. Если же величина Й больше пороговой величины Й па, то на третьи вхйды сумматоров 5 поступает код-числа 0,5, что соответствует 25 случаю попадания проекции вектора измерений фаз в одну иэ угловых однозначных областей параллелепипеда.В первом случае в сумматорах 5 производится операция сложения кодов З 0 чисел, поступающих на их первые вхож с нулевым кодом, во втором - с кодами числа 0,6, взятого со знаками, поступающими на вторые входц Е 2-М 2 а 2 Е 2ю Мп 1 ою щгде Р, 02 ,. Р, - целые числа,выбираются из условияо 2041 ап,4 фКоды чисел целых циклов (,1, (,2,.1 щпоступают на выход блоков 7 определения числа целых циклов, причем выходы этих блоков являются выходамиустройства разрешения многозначности.Таким образом, в предлагаемомустройстве разрешения многозначности фазовых измерений производитсясравнение лишь двух величин, пропорциональных квадратам расстояний:от точки проекции вектора измеренныхфаз до центра центральной однозначной области и до центра угловой.За счет этого и достигается высокоебыстродействие устройства, Крометого, так как разбиение гиперплоскости на однозначные области совпадают с разбиением при разрешениимногозначности по методу максимального правдоподобия, то для ошибокфазовых измерений, описываемых унимодальными симметричными законамираспределения вероятностей, достигается максимально возможная достоверность.Устройство легко реализуется наэлементах цифровой логики,В предлагаемом устройстве не производится перебор различных наборовчисел целых циклов с целью определения наиболее вероятных из них, разрешение многозначности осуществленияв процессе выполнения несколькихалгебраических операций. Кроме того,форма однозначных областей (фиг.2)максимально приближается к гиперсфере, вследствие чего достигаетсямаксимальная достоверность для всехслучаев унимодальных симметричныхзаконов распределения вероятностейфазовых ошибок.Использование изобретения позволяет повысить быстродействие устройства разрешения многозначности фазовых измерений на один два порядкав зависимости от суммарной неоднозначности шкал измерителя. Причемвремя обработки фазовых измеренийпрактически не увеличивается с возрастанием числа шкап.Формула изобретения устройство разрешения многозначности фазовых измерений, содержащее щ фазовых датчиков, (щ) блоков определения остатка от округления, (щ)сумматоров, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью повышения быстродействия наряду с обеспечением высокой достоверности, в него введены (щ), щ- входовых весовых сумматоров щблоков округления до целого, (щ -щ) блоков умножения щ блоков определения числа целых циклов, (щ)-входовой весовой сумматор, элемент сравнения, причем выходы щ фазовых датчиков соединены с соответствующими входами щ-входовых весовых сумматоров, выход каждого из которых соединен с входом соответствуюшего блока определения остатка от округления и с входом блока округления до целого, выход которого соединен с входом каждого иэ щ блоков определения числа целых циклов через последовательно соединенные сумматор и соответствующийблок умножения, кроме того, первыевыходы блоков определения остаткаот округления соединены с вторымивходами соответствующих сумматоров,вторые выходы - с входами (щ)-входового весового сумматора, выходкоторого соединен с первым входомэлемента сравнения, при этом квыходу элемента сравнения подключены третьи входы сумматоров, а квторому входу - клемма пороговогокода. Источники информации,15 принятые во внимание при экспертизе.1.Ипатов В,П.,Титов А.В. К вопросу об однозначности и точности фа. зовых измерений при двухчастотномизлучении.- Радиотехника и элект 20 ротехника, т.ХЛП 91, 1973, с.194,рис,2.2. Кучумов В.А. Аналоговое устройство раскрытия многозначностифазовых. измерений. Труды ИЭИ.25 Вып.270, 1970, с.119, рис.1