Способ измерения мгновенных значений фазового сдвига электрических сигналов

(54) СПОСОБ ЗНАЧЕНИЙ ФАЗКИХ; СИГНАЛОВ (57) Изобретение фаэометрии. Спос ных значений Лаз ЕНИЯ МГНОВЕННЫХ СДВИГА ЭЛЕКТРИЧЕСИЗМЕ ОВОГ носится к области измерения мгновен иче ских сигнало В каждый тных мет дующемиз из ве плитудн ные уро эначение з каче емамп литуд ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ ОПИСАНИЕ ИЗ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕ(56) Авторское свидетельство СССР 922658, кл. С 01 К 25/00, 1980Авторское свидетельство СССРУ 949536, кл. С 01 К 25/00, 1980 вого сдвига злект- (ЭС) состоит в слеполупериод ЭС одним дов измеряют их амя, формирделения в их с мгновенными значениями ЭС. Вмоменты времени й 1 Сих равенстваформируют короткие импульсы, выделяют два основных интервала времени(ИВ), которые измеряют, а результатызапоминают, Формируют два дополнительных ИВ, ограниченные моментами времени С и 1 , С, и С 4 перехода исследуемых ЭС через опорные уровни впротивоположных направлениях. Полученные дополнительные ИВ измеряют изапоминают, Определяют значение временного сдвига ЭС как разность результатов измерений второго основного ипервого дополнительного ИВ. Значениеполупериода определяют как разностьизмерений второго дополнительного ИВи временного сдвига ЭС, вычисляютискомый фазовый сдвиг. Результат измерения не содержит алдитивной имультипликативной составляющих погрешности измерения, то есть повышаетсяточность измерения. 1 з.п. ф-лы,4 ил.138 Ь 940 ол длоггаЗ Составитель М.Катанова Редактор В.Данко Техред Л.Сердюкова Корректор В,Бутяга Заказ 1493/45 Тираж 772 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Иосква, Ж, Раушская наб д, 4/5 юПроизводственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4Изобретение относится к фазометриии может быть использовано как попрямому назначению, так и при измере-.нии активной и реактивной мощностей,мощности диэлектрических потерь, коэффициента мощности, коэффициента диэлектрических потерь и других векторных величин,Цель изобретения - повышение точности измерения.На фиг, 1 приведены диаграммы напряжений, характеризующие способ; наФиг, 2 - блок-схема устройства,реализующего способ, наФиг. 3 - схема Фор мирователя временйых интервалов наФиг. 4 - схема формирователя опорныхуровней.Устройство содержит формирователь1 временных интервалов, Формирователь 202 опорных уровней, задатчик 3 коэффициентов деления, нуль-орган 4, первый и второй триггеры 5 и 6, первыйи второй одновибраторы 7 и 8, первый,второй, третий и четвертый элементы 25И-НЕ 9-12, генератор 13 квантующихимпульсов, первый и второй реверсивные счетчики 14 и 15 импульсов, цифровой блок 16 деления, Формирователь17 импульсов, делитель 18 частоты, 30усилитель 19 мощности, кнопка 20,"Сброс", регистр 21 числа, отсчетнорегистрирующий блок 22, При этомФормирователь 1 временных интерваловсостоит из первого, второго, третье,го и четвертого компараторов 23-26,Первого, второго и третьего элементовИЛИ 27-29, третьего, четвертого, пятого и шестого триггеров 30 - 33,а.формирователь 2 опорных уровней содержит первый и второй измерители 34и 35 амплитудных значений, первый,Второй, третий и четвертый делители36-39 напряжения,Первый вход формирователя 1 временных интервалов соединен с входомнуль-органа 4, первым входом Формирователя 2 опорного уровня и с входнойКлеммой опорного сигнала. Второйвход Формирователя 1 временных интервалов соединен с вторым входомформирователя 2 опорного уровня ивходной клеммой сдвинутого по Фазесигнала. Третий, четвертый, пятый ишестой входы Формирователя 1 временных интервалов соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым выходами формирователя 2 опорных уровней, а третий, четвертый, пятый и шестой входы последнего соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым выходами задатчика 3 коэффициентов деления. Седьмой вход формирователя 1 временных интервалов соединен с выходом второго одновибратора 8, вход которого через первый триггер 5 соединен с выходом нуль-органа 4, второй вход которого соединен с земляной шиной.Первый, второй, третий и четвертый выходы формирователя 1 временных интервалов соединены с первыми. входами соответственно элементов И-НЕ 12, 10, 9 и 11, вторые входы элементов И-НЕ 9-10 объединены и соединены с выходом генератора 13 квантующих импульсов и входом делителя 18 частоты, выход которого соединен с вторыми входами эле-. ментов И-НЕ 11 и 12. Выходы первого и второго элементов И-НЕ 9 и 10 соединены соответственно с суммирующим и вычитающим входами. первого реверсивного счетчика 14. Выходы третьего и четвертого элементов И-НЕ 11 и 12 соединены соответственно с суммирующим и вычитающим входами второго реверсивного счетчика 15.1Входы установки нуля реверсивных счетчиков 14 и 15 объединены через усилитель 19 мощности и соединены с выходом второго одновибратора.8, Выходы первого и второго реверсивных счетчиков 14 и 15 соединены соответ- ственно с входами Делимое и "Делитель" цифрового блока 16 деления, выходы которого через регистр 21 соединены с входами отсчетно-регистрирующего блока 22. Управляющий вход регистра 21 соединен с выходом второго триггера 6, вход установки "единицы" которого соединен через первый одновибратор 7 с четвертым выходом формирователя 1 временных интервалов. Вход установки 11 нуля" второго триггера 6 соединен с выходом Формирователя 17 импульсов, вход которого через кнопку 20 "Сброс" соединен с клеммой питания. В формирователе 1 временных интервалов первые входы первого и третьего, второго и четвертого компараторов 23 и 25, 24 и 26 объединены и являются соответственно первым и вторым входами формирователя 1 временных интервалов, Вторые входы первого, второго, третьего и четвертого компараторов 23-26 яв 1386940ляются соответственно третьим, четвертым, пятым и шестым входами формирователя 1 временных интервалов.Выходы первого, второго, третьего и четвертого компараторов 23-26 соединены с входами установкиединицы третьего, четвертого, пятого и шестого триггеров 30-33 соответственно.Выходы триггеров 30-33 являются пер О вым, вторым, третьим и четвертым выходами формирователя 1 временных интервалов. Первые входы элементов ИЛИ 27-29 соединены соответственно с выходами первого, второго и третьего 15 компараторов 23-25. Вторые входы элементов ИЛИ 27-29 объединены и являются седьмым входом формирователя 1 временных интервалов. Выход первого элемента ИЛИ 27 соединен с входами 20 установки "нуля" пятого и шестого триггеров 32 и 33. Выходы второго и третьего элементов ИЛИ 28 и 29 соединены с входами установки нуля соответственно третьего 30 и четвертого 25 3 1 триггеров.В формирователе 2 опорных уровней входы первого и второго измерителей 34 и 35 амплитудных значений являются соответственно первым и вторым входа ми формирователя 2 опорных уровней.Прямой и инверсный выходы первого и второго измерителей 34 и 35 амплитудных значений соединены с сигнальными входами соответственно, первого и третьего, второго и четвертого делителей 36 и 38, 37 и 39 напряжения. Выходы первого, второго, третьего и четвертого делителей 36-39 напряжения являются соответственно первым, . 40 вторым, третьим и четвертым выходами формирователя 2 опорных уровней. Управляющие входы первого, второго, третьего и четвертого делителей 36-39 напряжения являются соответственно 45 третьим, четвертым, пятым и шестым входами формирователя 2 опорныхуровней.Сущность способа заключается в следующем.50В каждый полупериод электрических сигналов- Поп- П/ш(фиг. 1), которые измеряют, а результаты измерений запоминают, Допустим, что в результате измерений временных интервалов (9) и (10) получены их следующие значения+ Ь "о где И,Б(г) = 0, япав ЬМ,0,(г) = Б,яЬЮ -(Е) (2)55 одним из известных методов измеряют амплитудные .значения этих сигналов. В результате измерений получают сигналы П ь, и Б , равные амплитудным значениям исследуемых сигналов.Опорные уровни Б, и П формируют путем деления в ш раз значений амплитуд электрических сигналов Затем сигналы (3) и (4) сравнивают с мгновенными значениями сигналов Б(Г) и Б(й). В моменты времени с и С их равенства формируют короткие импульсы (фиг. 1) 1 . 1 г = в -(агсяхп- - +( ) а ш "= - -(агся 1 п -- + чь + ) ) . (8) Ф Д к Выделяют два основных интервалавремени 1-- -агсяп -- =/а Я т истинное значение временного интервала (9),аддитивная составляющаяпогрешности измерения временного интервала (9);мультипликативная составляющая погрешности измере13869 ния временного интервала(9);аддитивная составляющаяпогрешности формированиявременного интервала Ь,;погрешность квантованиявременного интервала Ь 1,;частота квантования,Ь" кв/ 10" - -агсздп- - = --- 0 5 Т+Ьг (14)д вУ огр аниченные момен тами времени г ии г 4 перехода исследуемых сиг"45 налов через опорные уровни +Б +Па// и 11 а ///1 1 а/) в пр отивополож ных направлениях (фиг. 1).Полученные дополнительные интервалы времени (13) и (14) измеряют, а результаты измерений запоминают. Допустим, что в результате измерений получены следующие значения первого и второго дополнительных интервалов в емени Ь и ЬС+Ь а где М - истинное значение временг 15ного интервала (10);ЬИ - аддитивная составляющаяпогрешности измерения,Иг- мультипликативная составляющая погрешности измеренияЬ "ог аддитивные погрешностиформирования временного интервалаЬв, - погрешность квантования,Результаты измерений (11) и (12) запоминают.Затем в добавление к двум основныминтервалам времени (9) и (10) формируют два дополнительных интервала вре 30мениЬИ иЬМ ь 1 г 1)1 э кв Гагр ьгр ) (1+ У )++(Ь" а/г Ь "а ) (Ь" квг Ь"квз)1 Значение полупериода определяют как разность результатов измерений второго дополнительного интервала времени и временного сдвига электрических сигналов, т.е, выражений (16) и а 4 / кв 1(ь Гг ЬГ ) (1+// ) +а 4 а/ ) (ьккв 4 - ь/ )1(18)По полученным значениям (17) и (18)вычисляют искомый фазовый сдвиг повыражению М = ЯЯоlгде И , и М - истинные значения до 3 4полнительных интервалова времени Ь г, иЬС.- аддитивные составляющие погрешности измерения дополнительныхинтервалов времениЬС/ и Ьг/Ии И- мультипликативные сосен 4//тавляющие погрешностиизмерения первого ивторого дополнительныхинтервалов времениЬГ, и ЬГЬ/а, н Ь/ ааа 4 - аддитивные составляю. щие погрешности формирования интервалов вре"мени ЬГ, и Ь Сг соответственно,Ь/кв и Ь кв 4 - погРешности квантования интервалов време/1 иЬГ, и ЬГ,.Затем определяют значения временного сдвига электрических сигналовкак разность результатов измеренийвторого основного и первого дополнительного интервалов времени, т.екакразность выражений (12) и (15)Запишем выражение (20) в виде 20 а 4д" ке 2 кез дкв 1 дкв или д "кв д "аад" квс дсал гд скеэ дса зл /- дквФ д а 4 25Если аддативные составляющие погрешностей измерения основных и дополнительных интервалов времени равны между собой т.е. то Ь, = 0 и Ь 4= О, а выражение(20) примет вид Как видно из выражения (27), результат измерения мгновенных значений Фазового сдвига электрических сигналов не содержит адцитивной и мультипликативной составляющих погрешности измерения, В частности, например, условия (24) могут быть обеспечены путем введения временной поправки в результат Формирования временных интервалов ЬС = -1 = дкь да с, = 0,5 Т, дг,з, = еэ-с, = 0,5 Т-дс;Это достигается тем, что опорные уровни формируют перестраиваемыми в ,интервале значений, не превьппающих 10-207. от первоначально полученных.Действительно, изменение значенийили смещение опорных уровней приведет к смещению моментов времени С,г, - и е 4 равенства мгновенныхзначений исследуемых сигналов и смещенных опорных уровней. Изменениезначений (или перестройка) опорныхуровней может быть осуществлена двояко:Путем суммирования их со стабильным напряжением ЬП;, перестраиваемым в заданном интервале значений0- Ьц; дц. Тогда ц,= П, фЗа счет использования таких значений коэффициентов деления амплитудисследуемых сигналов тп = ш 5. дтп шз - ( а= ш-дшвю шэ = ш+ даръ и щ 4 = ш+ дтп 4которые обеспечивают смещение моментов времени С Т , Сэ и Т 4 на напередзаданное значение влево или вправопо оси времени, В этом случае Б ;те /(тпгп;), а Пе,. = Б /(тп й ш,),Повышение точности измерения достигается за счет уменьшения: аддитивных составляющих погрешностей Формирования интервалов времени Ь 1, Ь 1д и д Ст, погрешностей квантования и мультипликативных составляющихпогрешностей измерения интерваловвремени дс дС, дЬвВозможность введения временной поправки,например, путем изменения значенийкоэффициентов деления амплитуд существенно повьппает точность измеренияпредложенным способом.Устройство, реализующее способ,работает следующим образом,Исследуемые сигналы поступают напервый и второй входы Формирователя1 временных интервалов и Формирователя 2 опорных уровней. Одновременноопорный сигнал поступает на вход нульоргана 4, который Формирует короткиеимпульсы в моменты времени переходасигнала через "нуль". Эти импульсыс частотой следования 2 й поступаютна счетный вход первого триггера 5.С помощью триггера 5 формируется периодическая последовательность пря 1386940 10моугольных импульсов с частотой следования й = 277, Каждым передним Арон: том выходных импульсов триггера 5 осуществляется запуск одновибратора 8. Последний Аормирует короткие импульсы, соответствующие логическому "нулю", длительность кбторых достаточна для установки в "нуль" триггеров и счетчиков устройства. ОС выхода одновибратора 8 импульсы поступают на седьмой вход Аормирователя 1 временных интервалов, устанавливая, тем самым, третий четвертый, пятый и шестой триггеры 30-33 в нуль, т.е. в исходное состояние. Причем сигнал установки "нуля" поступает на триггеры 30 и 31 через элементы ИЛИ 28 и 29, а на триггеры 32 и 33 - через элемент ИЛИ 27. Выходной сигнал одновибратора 8 поступает через усилитель 19 мощности и на входы установки "нуля" реверсивных счетчиков 14 и 15. Последние также обнуляются,перед началом каждого 25 измерения. Необходимо отметить, что при нажатии кнопки 20 "Сброс" Формирователь 17 импульсов формирует импульс, устанавливающий второй триггер б в "нуль". В результате на управляющий вход регистра 21 поступает .сигнал, запрещающий прохождение кода числа Их с выхода цифрового блока 16 деления на отсчетно-регистрирующийблок 22.Исследуемйе сигналы поступают на формирователь 2 опорных уровней, входами которого являются входы измерителей 34 и 35 амплитудных значений. С их помощью осуществляется измерение амплитудных значений Б, и О, исследуемых сигналов, На выходах +У первого измерителя 34 амплитудных зна.чений появляются сигналы и -Бкоторые поступают на сигнальные входысоответственно первого и третьего де" лителей 36 и 38 напряженияНа выходах второго измерителя 35 амплитудных значений появляются сигналы +О и -У , которые поступают на сигнальщафные входы соответственно второго и четвертого делителей 37 и 39 напряжения. Коэффициенты деления делителей 36-39 напряжения устанавливают заранее равными ш. В результате на выходах первого и второго, третьего и четвер 55 того делителей Зб и 3738 и 39 напряжений Аормируются опорные уровни +Пов 1 и +Бв-По, и -Ц которые(28) поступают на вторые входы одноименных компараторов 23 и 24, .25 н 26 формирователя 1 временных интервалов.Необходимо отметить,.что опорные уровни, перестраиваемые в интервале значений, не превышающих 10-207 от первоначально полученных, В Аорми-рователе 2 опорных уровней это достигается путем изменения в этих пределах коэффициентов деления делителей 36-39 напряжений. Перестройка осуществляется с помощью задатчика 3 коэффициентов деления в пределах 0,1-0,2 ш при настройке и отлаДке устройства. Это необходимо для введения временной поправки во временные интервалы с целью исключения аддитивных составляющих погрешностей формирования и измерения (квантования) временных интервалов.При поступлении сигналов на первые входы компараторов 23 и 25, 24 и 26 на выходах последних появятся короткие импульсы в моменты времении(Фиг, 1), определяемые выражениями (5)-(8), Выходные импульсы компараторов 23-26 управляют работой триггеров 30-33 таким образом, что на выходах последних формируются в каждом периоде опорного сигнала временные интервалы, определяемые выражениями (9), (10), (13) и (14) .На первые входы элементов И - НЕ 9 и 10 с третьего и второго выходов формирователя 1 временных интервалов поступают соответственно импульсы согласно (10) и (13) . На вторые входы элементов И-НЕ 9 и 10 поступают квантующие импульсы с частотой следования Ь , формируемые генератором 13,кв 1 фНа первые входы элементов И-НЕ 11 и 12 с четвертого и первого выходов формирователя 1 временных интервалов поступают соответственно импульсы (14) и (9), На вторые входы элементов И-НЕ 11 и 12 с выхода делителя 18 частоты поступают квантующие импульсы с частотой следования Гв = Гщ,/М где И, = 180 - коэАфициент деления делителя 18 частоты.В результате на суммирующие входы реверсивных счетчиков 14 и 15 посту- паютимпульсов соответственно. На вычитающие входы реверсивных счетчиков 14и 15 поступают 7 х кв 1и 6 х кв 1о(30) импульсов соответственно. 10Общее число импульсов, записанных в первый реверсивный счетчик 14, бу- дет И = И 11, = бгх 1 кв (31) 15 а во второй -(32) о = Ив-Мп = Ох 5 ТГкв 11 о 20С помощью цифрового блока 16 деленияосуществляется деление числа И наИ, . В результате на выходе блока 16деления появится код числа1Ив бхкв 1 ьЬ,9 11 х кв 1 1,1 ь о бгх1800,5 Т(33) 30 равного мгновенному значению Фазового сдвига исследуемых сигпалов. Задним Фронтом импульса (14) запускается первый одновибратор 7, выходной сигнал которого устанавливает триггер 6 в "единицу". В результате И запишется в регистр 21 и индицируется с помощью отчетно-регистрирующего блока 22.В предлагаемом способе измерения повьппение точности достигается за счет обеспечения информационной избьггочности процесса измерения Фазового сдвига и такой обработки результатов измерения, которая обеспечивает уменьшение аддитивной и мультипликативной составляющих погрешности измерения Фазового сдвига. Кроме того, повьппение точности измерения достигается за счет минимизации погрешности Формирования дополнительных времен. ных интервалов с использованием тех же коротких импульсов, что и при Формировании основных временных интервалов.Полученив результатов измерений временного сдвига и полупериода от" личными от известных предложенным спсообом - как разность результатов измерений второго основного и первого дополнительного, второго дополнительного и первогО основного временных интервалов - обеспеччвает автоматическое уменьшение аддитивной составляющей погрешности вьделения и формирования временных интервалов, а также снижение погрешности квантования,Введение временной поправки в результат Формирования временных интервалов путем перестройки опорных уровней в интервале 10-207. от первоначально полученных позволяет допол" кительно уменьшить аддитивную составляющую погрешности измерения фазового сдвига. Реализация операции деления при окончательной обработке полученных значений временного сдвига и полупериода обеспечивает уменьшение мультипликативной составляющей погрешности измерения Фазового сдвига исследуемых сигналов.формула изобретения1. Способ измерения мгновенных значений Фазового сдвига электрических сигналов, заключающийся в иэмеРении амплитудных значений исследуемых сигналов, Формировании опорных уровней путем деления в ш разамплитудных значений исследуемых сигналов, вьделении и Формировании по моментам времени перехода исследуемых сигналов через установленные опор ные уровни двух основных временных интервалов, при этом первый основной временной интервал равен временному сдвигу исследуемых сигналов, а второй - полупериоду исследуемых сигналов, измеряют и запоминают значения основных временных интервалов, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерения, Формируют два дополнительных временных интервала, ограниченных моментами времени перехода исследуемых сигналов через опорные уровни в противоположных направлениях, причем первый дополнительный временной интервал равен полупериоду минус временной сдвиг исследуемых сигналов, а второй дополнительный временной интервал - полупериоду плюс временной сдвиг исследуемых сигналов, измеряют и запоминают результаты измеренияпервого и второго дополнительных временных интервалов, затем вычисляютзначение временного сдвига исследуемых сигналов как разность результатов 5измерений второго основного и первого дополнительного временных интервалов, значение полупериода исследуемых сигналов определяют какразность результатов измерений второго дополнительного и первого осйовного временных интервалов и по отношению значения временного сдвига к значению полупериода исследуемых сигналов судят о величине искомого фазового сдвига.2. Способ по и, 1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что опорные уровни формируют перестраиваемыми в интервале значений, не превышающих 10-207, от первоначально полученных.