Цифровой фазометр

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНРЕСПУБЛИК 422178 5 00 П 4 СО САН ЗОБРЕТЕКИ СВИДЕТЕПЬСТ ВТОРС ничес( Ленинодько 98 конт- Цифрова+ нераОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ(71) Ленинградский электротекий институт им,В.И.Ульянова(57) Изобретение относится крольно-измерительной технике.ровой фазометр содержит формители 3 и 6, ключи 1 О и 11, ге тор 19, реверсивный счетчик 12,блок9 управления и блок 7 выделения интервала времени. В фазометр введеныблок 8 выделения интервала времени,гистерезисные пороговые элементы 1,2, 4 и 5, элементы 14 и 18 задержки,регистр 13, элементы И 16 и 17, иэлемент ИЕ 15. Блок 7 вьделения интервала времени включает формирователи 20-23 импульсов, элементы И 24,28, 30, 32, 33 и 36, элементы ИЛИ 26,31 и 34 и триггеры 25; 27, 29 и 35.Использование фаэометра позволяетустранить сбои эа счет двойных переходов через нуль входных сигналов,т;е. повысить помехоустойчивость иточность измерения. 9 ил.1422178 Рсд длп фл Ьи циВНИИПИ Государственного комитета ССС по делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж"35, Раушская наб., д.Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения фазо- вого сдвига между двумя гармоническими сигналами.5Цель изобретения - повышение помехоустойчивости.На фиг.1 изображена структурная схема цифрового фазометра; на фиг,2 - структурная схема второго блок% выделения интервала времени; на фиг.3 - структурная схема блока управления; на фиг.4 - 9 - временные диаграммы работы цифрового фазометра, 15На фиг. входы гистерезисных пороговых элементов 1 и 2 соединены с первой входной шиной и входом первого формирователя 3, входы гистерезисных пороговых элементов 4 и 5 соеди иены с второй входной шиной и входом второго формирователя 6, выходы гистерезисных пороговых, элементов 1, 4, 2 и 5 соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым вхо дами первого блока 7 вьщеления интервала времени и с первым, вторым, третьим и четвертым входами второго блока 8 выделения интервала времени, первый и второй выходы первого блока 30 7 вьщеления интервала времени соединены с первым и вторым входами блока 9 управления, первый и второй выходы которого связаны соответственно с первыми входами первого 10 и второго 11 ключей, выходы которых соединены с входами соответственно реверсивного счетчика 12, выходы которого соединены с входами регистра 13, а управляющий вход реверсивного счетчика 40 12 соединен с выходом элемента 14 задержки, вторые входы первого 10 и второго 11 ключей соединены между собой и с выходом первого элемента ИЛИ 15, первый вход которого соединен с выхо дом первого элемента И 16, второй вход элемента ИЛИ 15 соединен с выходом второго элемента И 1, первый вход которого, соединен с выходом элемента 18 задержки, вход которого соединен с выходом генератора 19 и первым входом первого элемента И 16, вторые входы элементов И 16 и 17 соединены соответственно с третьим и четвертым выходами блока 9 управления, третий вход которого соединен с третьим выходом первого блока 7 выделенияинтервала времени; четвертый и пятый выходы которого соединены с пятым и шестым входами соответственно второго блока 8 выделения интервала времени, первый и второй выходы которого соединены с четвертым и пятым входами соответственно, блока 9 управления, шестой и седьмой входы которого соединены соответственно с выходами первого 3 и второго 6 формирователей, третий выход второго блока 8 вьщеления интервала времени соединен с управляюп 1 им входом регистра 13 и входомэлемента 14 задержки четвертый ипятый выходы второго блока 8 вьделения интервала времени соединены соот"ветственно с пятым и шестым входамипервого блока 7 вьделения интервалавремени, входы формирователей 20-23импульсов являются соответственнопервым - четвертым входами первогоблока 7 вьщеления интервала времени,выход формирователя 20 импульсов соединен с первым входом элемента И 24, выход которого соединен с входом триггера 25 и первым входом элемента ИЛИ 26, второй вход которого соединен с 8-входом триггера 27 и выходом элемента И 28, первый вход которого соединен с выходом формирователя21 импульсов, выход элемента ИЛИ 26 соединен с Я-входом триггера 29, выл ход которого соединен с вторыми входами элементов И 24 и 28, выход формирователя 22 импульсов соединен с первым входом элемента И 30, выход которого соединен с первым входом элемента ИЛИ 31, второй вход которого соединен с выходом элемента И 32, первый вход которого соединен с выходом формирователя 23 импульсов, а второй вход элемента И 32 соединенс выходом триггера 25, первым входомэлемента И 33, выход которого соединен с первым входом элемента ИЛИ 34, выход которого соединен с Я-входом триггера 35, К-вход которого соединен с выходом третьего элемента ИЛИ 31, и К-входами триггеров 25, 27 и29, выход триггера 27 соединен с вторым входом элемента И 30 и первымвходом элемента И 36, выход которогосоединен с вторым входом элементаИЛИ 34, вторые входы элементов И 33и 36 являются соответственно пятым и шестым входами первого блока 7 вьделения интервала времени, выходы триггеров 25 и 27 являются первым и вторым выходами первого блокавьщеления интервала времени, выход тригге 3 1422 ра 35 является третьим выходом первого блока 7 выделения интервала времени, выходы формирователей 20 и 21 являются соответственно четвертым и пятым выходами первого блока 7 выделения интервала времени.На фиг.2 входы формирователей 37- 40 импульсов являются соответственно первым - четвертым входами второго блока 8 выделения интервала времени, выход формирователя 37 импульсов соединен с первым входом элемента И 4, выход которого соединен с первым входом первого элемента ИЛИ 42, выход которого связан с К-входами триггеров 43-47, второй вход элемента ИЛИ 42 соединен с выходом элемента И 48, первый вход которого соединен с выходом формирователя 38 импульсов, а 20 второй вход присоединен к выходу триггера 43, Я-вход которого соединен с первым входом элемента ИЛИ 49 и выходом элемента И 50, первый вход которого соединен с выходом формиро вателя 39 импульсов, а второй вход присоединен к выходу триггера 45 и первому входу элемента И 51, выход которого соединен с вторым входом элемента ИЛИ 49 и вторым входом триггера 44, выход которого соединен с вторым входом элемента И 41, третий вход которого соединен с выходом триггера 46 и третьим входом элемента И 50, выход формирователя 40 им 35 пульсов соединен с вторым входом элемента И 51, третий вход которого соединен с третьим входом элемента И 48 и выходом триггера 47, выход элемента ИЛИ 49 соединен с вторым входом 40 триггера 45, Я-входы триггеров 46 и 47 являются пятым и шестым входами соответственно второго блока 8 выделения интервала времени, выходы триггеров 43 и 44 являются первым и вто рым выходами второго блока 8 выделения интервала времени, выход элемента ИЛИ 42 является третьим выходом второго блока 8 выделения интервала времени, выходы формирователей 39 и 50 40 импульсов являются соответственно четвертым и пятым выходами второго блока 8 выделения интервала времени. На фиг,З первый вход элемента ИЛИ 52 соединен с первым входом элемента И 53 и является первым входом блока 9 управления, первый вход элемента ИЛИ 54 соединен с первым входом эле 1784мента И 55 и является вторым входомблока 9, управления, первый вход элемента ИЛИ 56 соединен с первым входом элемента ИЛИ 57 и является третьим входом блока 9 управления, четвертым входом которого является второй вход эемента ИЛИ 52, который соединен с первым входом элемента И 58,второй вход элемента ИЛИ 54 соединенс первым входом элемента И 59 и является пятым входом блока 9 управг,ения, шестым входом которого являетсявход элемента НЕ 60, выход элементаНЕ 61 соединен с третьим входом элемента И 53 и третьим входом элементаИ 59, вход элемента НЕ 60 соединен свторым входом элемента ИЛИ 56, входэлемента НЕ 61 является седьмым входом блока 9 управления и присоединенк второму входу элемента ИЛИ 57, выход которого связан с вторым входомэлемента И 58 и вторым входом элемента И 55, выход которого соединен спервым входом элемента ИЛИ 62, второйвход которого соединен с выходом элемента И 53, второй вход которого соединен с выходом элемента ИЛИ 56 ивторым входом элемента И 59, выходкоторого связан с первым входом элемента ИЛИ 63, второй вход которогосоединен с выходом элемента И 58, тре-тий вход которого соединен с выходомэлемента НЕ 60 и третьим входом элемента И 55, выходы элементов ИЛИ 52,54, 62.и 63 являются соответственнопервым, вторым, третьим и четвертымвыходами блока 9 управления,Фазометр работает следующим образом,В момент включения все триггерыпервого 7 и второго 8 блоков выделения временного интервала и реверсив-ный счетчик 12 устанавливаются в нулевое состояние.На первую входную шину поступаетпервый входной синусоидальный сигнал,на вторую входную шину - второй входной синусоидальиый сигнал, фазовыйсдвиг между которыми нужно изменить.Первый входной сигнал поступает навходы первого 1 и второго 2 гистере"зисных пороговых элементов и первогоформирователя 3 и преобразуется впрямоугольные сигналы той же частоты.Формирователь 3 представляет собойкомпаратор и обеспечивает на выходесигнал высокого уровня при превыше 1422178нии синусоидальным сигналом и помехой установочного уровня Щ-, ).При наличии переменной составляющей помехи на выходе формирователя 3,кроме основного импульса, наблюдаются в начале и конце нескольких коротких импульсов (фиг.4-9 в).Гистерезисные,пороговые элементыпостроены так, что напряжение гистерезиса выбрано бопьшим, чем двойнаяамплитуда возможной помехи, поэтомуна их выходе появляется сигнал высокого уровня при превышении сигналомнапряжения срабатывания (П,Р ), и наблюдается сигнал низкого уровня приуменьшении сигнала ниже напряженияотпускания (Б ), и отсутствуют короткие импульсы в начале и в конце.Уровни срабатывания и отпускания первого гистерезисного элемента 1 выбраны так, чтобы он срабатывал раньше,чем первый формирователь 3, т.е.о 1сР, чО 1Уровни срабатывания второго порогового элемента 2 выбраны так, чтобыон срабатывал позже первого формирователя 3, т.е,09 с 71 С По 7 п 2ПР 2Второй входной сигнал поступаетна входы второго формирователя 6,третьего 4 и четвертого 5 гистерезисных пороговых элементов 4 и 5, которые построены и работают аналогичноуказанным,35Уровни срабатывания и отпусканиявыбраны следующим образом:оТсР 3 ( Чсг 2Отп 4 сР 2Напряжение гистерезиса такое же,как и у пороговых элементов 1 и 2, 40Сигналы с выходов гистерезисных пороговых элементов 1, 2 и 4, 5 поступают на входы первого и второго блоков7 и 8 выделения интервала времени.Первый блок 7 выделения интервала 45времени используется для выделенияинтервала времени между переднимифронтами, В зависимости от взаимногорасположения во времени импульсов свыходов гистерезисных пороговых элементов 1 и 4 (Фиг.4-9 д;е) раньше Формирует импульс по переднему фронтувходного импульса формирователь 20импульсов или формирователь 21 импульсов.55Возможные варианты формированиявременного интервала между перед"ними Фронтами следующие. Времейной интервал должен быть организован так, чтобы он начинался немного ранее, чем первый из двух сигналов с выходов формирователей 3 и 6 (фиг,4-6 в, фиг.7-9 г), и кончалсяРпосле окончания переходных процессов в переднем фронте второго сигнала (Фиг,4-6 г, фиг.7-9 в).В первом случае первым приходит передний фронт сигнала с гистерезисного порогового элемента 1, формирователь 20 импульсов выдает импульс по переднему фронту сигнала (фиг.4- бм), который поступает с четвертого выхода первого блока 7 выделения интервала времени на пятый вход второго блока 8 выделения интервала времени для подготовки его в рабочее положение, и проходит через элемент И 24, устанавливает первый триггер 25 в единичное состояние, проходит через элемент ИЛИ 26, устанавливает третий триггер 29 также в единичное состояние, второй триггер 27 остается в нулевом состоянии. Единичное состояние первого триггера 25 (Фиг,4- 6 и) и нулевое состояние второго триггера 27 (Фиг.4-6 к) говорят о наличии положительного фазового сдвига между передними фронтами сигналов. Триггер 27 блокирует элементы И ЗО и 36, триггер 29 блокирует элементы И 24 и 28, элементы И 32 и 33 остаются открытыми. По переднему фронту сигнала с выхода четвертого гистерезисного порогового элемента 5 (фиг,4-6 з) формирователь 23 форйирует импульс (Фиг.7-9 н), который, проходя через элементы И 32 и ИЛИ 31, уетанавливает триггеры 25, 27, 29 и 35 в нулевое состояние, по этому импульсу заканчивается временной интервал. Во втором случае (фнг.7-9) первым проходит передний фронт с гистерезисного порогового элемента 4, импульс с формирователя 21 устанавливает в единичное состояние второй и третий триггеры 27 и 29, первый триггер 25 блокируетсяОкончание временного интервала происходит по переднему фронту гистерезисного порогового элемента 2 формирователем 22 импульсов Единичное состояние второго триггера 27 (фиг.7-9 к) и нулевое состояние первого триггера 25 (фиг.4-6 и) говорит о наличии отрицательного фазового сдвига между передними фронтами сиг 1422178(выходы триггера 27) первого блока 7выделения интервала времени поступают 5на первый и второй входы блока 9 управления.Второй блок 8 выделения интервалавремени используется для организациивременного интервала между задними 1 Офронтами, В зависимости от взаимногорасположения во времени импульсов свыходов гистерезисных пороговых элементов 2 и 5,(фиг.4-9 ж,з) раньшеформируется импульс по заднему фронту 15сигнала с гистерезисного пороговогоэлемента формирователем 39 или формирователем 40 импульсов. Временной интервал организуется так, чтобы он начинался раньше начала переходных процессов в заднем фронте первого изсигналов (фиг,4-9 в или г) и кончалсяпосле окончания переходных процессовв заднем фронте второго сигнала,Если первым заканчивается сигналс гистер энского порогового элемента. 2 (фиг.4,6,9 ж), формирователь 38 импульсов вырабатывает импульс по заднему фронту сигнала (фиг.4,6;9 л),этот импульс проходит через логические элементы, но только в случае,если предварительно поступил гпульсфна пятый вход блока 8 выделения интервала времени, переведя в единичное состояние триггеры 43 и 45, которые запирают логические элементыИ 50 и 51. Одновременно импульс с выхода формирователя 39 поступает счетвертого выхода второго блока 8выделения интервала времени на пятый 40вход первого блока 7 выделения интервала времени. В случае, когда сигналс первого формирователя 3 (фиг.бв)кончается раньше, чем начинается сигнал с выхода второго формирователя 6 45(фиг.бг), единичное состояние первого триггера 43 (фиг.4,6,9 о) и нулевое второго триггера 44 (фиг.4,6,9 п)говорят о наличии положительного фазового сдвига между задними фронтамисигналов, Временной интервал заканчивается при поступлении импульса сформирователя 38,В случае, если первым проходит импульс с формирователя 4 О, работа происходит аналогично указанному, но в единичное состояние переводятся триггеры 44 и 45, что свидетельствует об отрицательном фазовом сдвиге между задними фронтами. Сигнал с третьего выхода первого блока 7 выделения интервала времени (фнг.7 л) начинается с момента поступления импульса с выхода формирователя 40 (фиг.7 т) и оканчиваетсяпо переднемч фронт; сигнала с второго порогового элемента 2 (фиг,7 ж), Окончание вре.енного интервала с второго выхода второго блока 8 выделения ин;ервала времени заканчивается по окончании сигнала с выхода первого порогового элемента 1 (фиг.5,7,8 д,п). Сигналы с первого и второго выходов второго блока 8 выделения интервала времени поступают соответственно на четвертый и пятый входы блока 9 управления, С третьего выхода второго блока 8 выделения временного интервала выдается импульс (фиг,4-9 р), свидетельствующий об окончании обоих временных интервалов.Блок 9 управления обеспечивает управление реверсивным счетчиком на суммирование и вычитание в зависимос.ти от знака временных интервалов, По первому и второму выходам блок 9 управления при наличии единичного сигнала открывает ключи 1 О и 11 в зависимости от того, производится суммирование или вычитание, Ключ 1 О блок 9 управления открывает при наличии сигнала на первом или четвертом его входах (фиг,4-9 у), ключ 11 - при наличии сигнала на втором или пятом входах (фиг.4-9 ф). С третьего выхода блок 9 управления формирует сигнал на первом входе элемента И 16, соответствующий длительности временного интервала между передними фронтами с учетом двойных переходов через нуль входного сигнала (фиг.4-9 х), который в дальнейшем заполняется импульсами высокостабильной частоты с генерато" ра 19. С четвертого выхода блок 9 управления формирует сигнал, соответствующий временному интервалу между задними фронтами (Фиг.4-9 ц), Обозначая входные сигналы блока 9управления в соответствии с номерами входов ааа , а выходные сиг" калы через Ь , Ъ, Ъ, Ь, имеют связи между выходами и входами:Ь а+а4 фЪ а + а,Ьз а 1 ат (а +аб)+а 2 ау (аз+Ь аврал(ад+а,)+аа (а+а).В случае, представленном на фиг. 6 и 7, сигналы Ь (фиг. 6 и 7 х) и 5 Ь (фиг. 6 и 7 ц) перекрываются, поэтому элементы ИЛИ 15 обеспечивает одновременное прохождение импульсов с выходов элементов И 16 и 17. Чтобы Импульсы стабильной частоты не нак 4Ладывались один на другой и счетчик Мог складывать импульсы с выходов элементов И 16 и 17, генератор 19 вьщает импульсы стабильной частоты со скважностью, большей трех, а элемент 18 задержки. осуществляет задержку импульсов на величину, большую длительности импульса с выхода генератора,20В интервалы времени, соответствующие сигналам Ь и Ь, реверсивный Счетчик подсчитывает импульсы тактовой частоты,по окончании временного интеРвала между задними фРонтами им пульс третьего выхода второго блока 8 вьщеления временного интервала (фиг,4-9 р) поступает на управляющий вход регистра 13, и содержимое счетчика 12 переписывается в регистр 13, 3(1Через время, достаточное для записи, импульс через элемент 14 задержки поступает на управляющий вход реверсивного счетчика и устанавливаетего в нулевое состояние. На этом измерение заканчивается, цифровой фазометр готов для следующего цикла измерений,В регистр 13 периодически записывается. число, пропорциональное сдвигу фаз.В случае присутствия в сигналегармонической составляющей Азпы+С,помехи азж (д.1+С) сигналы имеютвид450, (е)=А,апас+С+а,з 1.п Ье+Ч,);Б (С) =Ар 1 п (ьй+)+С+аз 1 п(М+ Рг),Длительность интервала времени между передними , и заднимифронтами составляетГ ( (т+ "н +"к3 - Г г"-ф + л сг+ а анткг.гДе лГд.,н - погРешности фиксаЦии 55начала интервала;лГ 1 г - погрешности фиксацииконца временного интервала. Определяют моменты появления временного интервала по первому достижению суммарным сигналом установочного уровня, При этом считают, чтов области возможных срабатываний формирователя крутизна полезного сигнала постоянна и составляет величинуК. Для начала первого интервала можно записатьК+ а з 2 л 1 (ай+,) 0 д.где К = А созм .lОбозначая Сй + " (гдег(время фиксации без учета помехи;погрешность эа счет помехи),К -1х =л.с, У = й. + , имеютаЛ.уравнение для определения величиныпогрешности за счет помехиз 1 п (х +Ч ) = -Л,где У - случайная величина, изменяющаяся от О до 2 У.Аналогично уравнение и для фиксации конца первого интервала по второму сигналу, уравнения для фиксацииначала и конца второго интервала отличаются только знаком.Таким образом, предлагаемый фазометр позволяет устранить сбои за счет двойных переходов через нуль входных сигналов, т,еповысить помехоустойчивость фазометра и точность измерения еФормула изобретенияЦифровой фазометр, содержащий первый и второй формирователи, первый и второй ключи, генератор, реверсивный счетчик, блок управления и блок вьщеления интервала времени, первый и второй.выходы которого соединены с первым и вторым входами блока управления, первый и второй выходы которого соединены с первыми входами первого и второго ключей соответственно, выходы которых соединены соответственно с входами сложения и вычитания реверсивного счетчика, входы первого и второго формирователей соединены с первой и второй входными шинами соответственно, а выходы - соответственно с третьим и четвертым входами блока управления, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения помехо устойчивости, в него введены второй блок выделения интервала времени, первый - четвертый гистерезисные по 3 422178роговые элементы, первый и второй элементы задержки, регистр, первый и второй элементы И и элемент ИЛИ, причем первый блок выделения интервала времени содержит с первого по четвертый формирователи импульсов, с третьего по восьмой элементы И, второй, третий и четвертый элементы ИЛИ, первый - четвертый триггеры, при 0 этом входы первого и второго гистерезисных пороговых элементов соединены с входом первого формирователя, а входы третьего и четвертого гистерезисных пороговых элементов соединены 5 с входом второго формирователя, выходы с первого по четвертый гистерезисных пороговых элементов соединены соответственно с входами первого, третьего, второго и четвертого формирова телей импульсов и с первого по четвертый входами второго блока выделения интервала времени, выходы первого и второго формирователей импульсов через третий и четвертый элементы И со ответственно и второй элемент ИЛИ со. единены с Б-входом первого триггера, выход которого соединен с вторыми входами третьего и четвертого Ълементов И, выходы третьего и четвертого фор м 0 рователей импульсов через пятый и шестой элементы И соответственно и третий элемент ИЛИ соединены с К-входами первого - четвертого триггеров, Б-Вход Второго триггера соединен с 35 выходом третьего элемента И, а Б-вход третьего триггера соединен с выходом четвертого элемента И, при этом выход второго триггера соединен с первым выходом первого блока выделения щ 0 интервала времени, с вторым входомшестого .элемента И и первым входомседьмого элемента И, второй вход которого соединен с первым выходом второго блока выделения интервала времени, второй выход которого соединенс первым входом восьмого элемента И,второй вход которого соединен с втоРым входом пятого элемента И, выходом третьего триггера и вторым выходом первого блока выделения интервала времени, пятый вход блока управления соединен с выходом четвертоготриггера, Б-вход которого через четвертый элемент ИЛИ соединен с выходами седьмого и восьмого элементовИ, а выходы первого и второго формирователей импульсов соединены с пятым и шестым входами второго блокавыделения интервала времени, третийи четвертый выходы которого соединены с шестым и седьмым входами блокауправления, а пятый - с управляющимвходом регистра и входом первого элемента задержки, выход которого соединен с управляющим входом реверсивного счетчика, выходы которого соединены с входами регистра, при этомвторые входы первого и второго ключей соединены с выходом первого элемента ИЛИ, входы которого соединеныс выходами первого и второго элементов И, при этом первый вход первогоэлемента И непосредственно, а второго через второй элемент задержки соединены с выходом генератора, а вто"рые входы элементов И соединены соответственно с третьим и четвертымвыходами блока управления.