Устройство для измерения угла сдвига фазы синусоидальных напряжений

Номер патента: 1064227

Авторы: Гетман, Жук, Олейников, Синицкий

ZIP архив

Текст

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 01 В .25 00 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ ИЗОБРЕТЕТЕПЬСТВУ(71) Опытное конструкторско-технологическое бюро с опытным производством института металлофизики АН УССР(56) 1, Авторское свидетельство СССРР 412563, кл, 6 01 й 25/00, 19752. Авторское свидетельство СССРМ 187148, кл. 6 01 В 25/00, 195 ба .(54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯУГЛА СДВИГА ФАЗ СИНУСОИДАЛЬНЫХНАПРЯЖЕНИЙ, содержащее задатчикизмерительного времени, одним входом соединенный с шиной опорногонапряжения, а вторым - с внешнимкомандным сигналом, интегратор,соединенный с управляющим выходомзадатчика измерительного временй,о т л и ч а ю щ е е с я тем, чтос целью повышения быстродействияустройства и точности измеренияугла сдвига фазы синусоидальных на-,пряжений, в него дополнительно введены вычитатель двух напряжений,аналого-цифровой преобразователь,вычислительный блок, два двухполу.периодных выпрямителя, два интегратора и, ключевые элементы,.причемпервый вход вычитателя двух напряжений и вход первого двухполупериодного выпрямителя соединены;с шипреобрады ключеыходами емени,ОПИСАНИЕ АВТОРСКОМУ С.801064227 ной опорного напряжения, второй входвычитателя двух напряжений и входвторого двухполупериодного выпрямителя соединены С шиной исследуемого напряжения, а выход вычитателя двух напряжений соединен с входом первого интегратора через пер"вый.ключевой элемент, при этом выход первого двухполупериодного выпрямителя соединен с входом первого дополнительного интегратора через второй ключевой элемент, а выход второго двухполупериодного выпрямителя - с входом второго дополнительного интегратора через третийключевой элемент, выход первого интегратора соединен с первым аналоговым входом аналого- цифрового преобразователя через четвертый ключевойэлемент, выход первого дополнительного интегратора соединен с вторыманалоговым входом аналого-цифровогопреобразователя через пятый ключевойэлемент, выход второго дополнительйого, интегратора соединен с первыманалоговым. входом аналого-цифровогопреобразователя через шестой ключевой .элемент, информационный выходаналого-цифрового преобразователясоединен с информационным входомвычислительного блока, а управляющий вход аналого-цифровогозователя и управляющие вховых элементов соединены с взадатчика измерительного вр( (2) Изобретение относится к электро"измерительной технике и может бытьиспользовано при построении цифровых фаэометров..Известно цифровое устройство дляизмерения угла сдвига фаз между опор.ными и исследуемым сигналами, со.держащее полосовой фильтр, аналогоцифровой преобразователь, множительное устройство, накапливающий сумматор, генераторы дискретных аргументов и амплитуд, устройство определения отношения, тригонометрические преобразователи и линии задержки 1 ).Недостаток указанного устройствазаключается в сложности конструкциииз-за наличия в его структуре узловразличного функционального назначения, Для измерения устройством фазы исследуемого сигнала по отношению к опорному необходимы априорныезначения о законах амплитудной ифазовой модуляций исследуемого сигнала и его частоте Отклонение закона амплитудной или фазовой модуляции исследуемого сигнала от ожидаемой и изменение частоты исследуемого сигнала снижают точностьизмерения угла сдвига фазы междудвумя сигналами,Наиболее близким по техническойсущности к предлагаемому являетсясуммо-разностный фаэометр инфраниэкой частоты, содержащий эадатчикизмерительного времени, два реостатных аттенюатора, отсекатель положительной полуволны суммарного" напряжения, интегратор, регистрирующийприбор, Входами устройства являютсяшины опорного и исследуемого напряжений, которые через реостатныеаттенюаторы соединены с входами сумматора двух напряжений, Шина опорного напряжения подключена к входу задатчика измерительного времени. Выход сумматора двух периодических напряжений через отсекатель положительной полуволны суммарного, напряжениясоединен с интегратором, а выход интегратора - с входом регистрирующегоприбора. Управляющий вход задатчикаизмерительного времени соединен свнешним командным сигналом, источником которого в устройстве является(кнопка. Управляющий выход эадатчикаизмерительного времени, обуславливающий длительность интегрирования суммарного напряжения, соединен с интегратором (2(,Анализ известного устройства показывает, что измерение фазы междуопорным Ооп и исследуемым Оис напряжениями возможно при выполнейии условий:где )/ЯС - постоянная интегратораизвестного устройства.Для выполнения условия (1) необходимо с помощью дополнительныхсредств (например, с помощью ампли тудного вольтметра ) произвести измерение амплитуды исследуемого сигнала, а далее с помощью аттенюаторов опорного и исследуемого напряже- ний обеспечить равенство их ампли туд. Разделение по времени процедуризмерения исследуемого сигнала, согласования с амплитудой опорного .сигнала и собственного измерения фазы между двумя сигналами обусловливает низкое быстродействие известного устройства, Невыполнение условий(1 ) и (2) снижает точность измерения. фазы между двумя сигналами. Дополнительным фактором, снижающим точностьизмерения фазы между двумя сигналами,является погрешность, обусловленнаядействием смещения нулевых линийпериодических сигналов и действиемсинфаэной помехи на входы сумматораизвестного устройства. Например, присмещении нулевых линий периодическихсигналов, вектор напряжения на выходе сумматора будет равен О = 2 (О о+ Оо)соя Ч/2(3) 30Оо - напряжение смещения нулевыхлиний периодических сигналов,Наличие составляющей 20 о в суммарном напряжении 01. повлечет за35 собой погрешность вычисления фазы ЧЦель изобретения - повышение быстродействия устройства и точностиизмерения угла сдвига фазы синусоидальных напряжений.40 Поставленная цель достигаетсятем, что в устройство для измеренияугла сдвига фазы синусоидальных напряжений, содержащее задатчик измерительного времени, одним входом со 45 единенный с шиной опорного напряжения, а вторым - с внешним команднымсигналом, интегратор, соединенныйс управляющим выходом задатчика измерительного времени, введены вычитатель двух напряжений, аналого-цифровой преобразователь, вычислительныйблок, два двухполупериодных выпрямителя, два интегратора и ключевыеэлементы, причем первый вход вычителя двух напряжений и вход первогодвухполупериодного выпрямителя соединены с шиной опорного напряжения,второй вход вычитателя двух напряжений и вход второго двухполупериодного выпрямителя соединены с шиной ис 60 следуемого напряжения, а выход вычитателя двух напряжений соединен свходом первого интегратора через первый ключевой элемент, при этом выходпервого двухполупериодного выпрями 65 теля соединен с входом первого до5 10 15 20 устройства. вычитания обеспечивает емуподавание синфазной помехи при уровнях помехи, значительно превышающейполезный сигнал,Интеграторы 3,9 и 13 реализованыпо традиционной схеме на операционных усилителях с РС -цепями. Номиналы сопротивлений Р и емкостей С вцепях обратных связей операционныхусилителей идентичны (обеспечиваетсяих относительное равенство ).35 реализация двухполупериодных выпрямителей основана на известныхсхемотехнических решениях.АЦП 4 в предлагаемом устройствепроизводит преобразование аналоговых40 напряжений в цифровые эквивалентыпо методу последовательного приближения ( поразрядного кодирования). Аппаратурная реализация АЦП основанана известных решениях.45 В качестве блока 5 использованаодноплатная микро-ЭВМ "ЭлектроникаК 1-20" на базе микросхем серии К 580,имеющая в своем составе процессорное устройство, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), порт вводавывода, В ячейках ПЗУ защита программа алгоритмического вычисленияпроцессорным устройством угла Ч из 5560 65 полнительного интегратора через второй ключевой элемент, а выход второго двухполупериодного выпрямителя -,с входом второго дОполнительного интегратора через третий ключевой элемент, выход первого интегратора соединен с первым аналоговым входоманалого-цифрового преобразователячерезчетвертый ключевой элемент,выход первого дополнительного интегратора соединен с вторым аналоговым,входом аналого-циФрового преобразователя через пятый ключевой элемент,выход второго дополнительного интегратора соединен с первым аналоговым входом аналого-цифрового преобразователя через шестой ключевой элемент, информационный выход аналогоцифрового преобразователя соединенс информационным входом вычислительного блока, а управляющий вход аналого-цифрового преобразователя иуправляющие входы ключевых элементовсоединены с выходами задатчика из-мерительного времени,На чертеже изображена Структурнаясхема предлагаемого устройства.Устройство для измерения угласдвига фавы синусоидальных напряжений содержит задатчик 1 измерительного времени, вычитатель 2 двух напряжений, интегратор 3, аналого-цифровой преобразователь (АЦП 4, вычислительный блок 5, ключевые элементы б и 7, двухполупериодный вы-.прямитель 8 и первый дополнительныйинтегратор 9, ключевые элементы 10и 11, двухполупериодный выпрямитель12, второй дополнительный интегратор13 и ключевые элементы 14 и 15,Входами устройства являются шиныопорного и исследуемого напряжений.Шина опорного напряжения соединенас задатчиком 1, с первым входом вычитателя 2 двух напряжений и с входом двухполупериодного выпрямителя8, а шина исследуемого напряженияс вторым входом вычитателя 2 двух.напряжений и с входом двухполуиериодного выпрямителя 12. Выход вычитателя 2 двух напряжений.через ключевой элемент б. подключен к входу.интегратора 3, Выход двухполупериодного выпрямителя 8 через ключевойэлемент 10 соединен с входом интегратора 9. Выход двухполупериодноговыпрямителя 12 через ключевой элемент 14 подключен к входу интегра"тора 13. Выходы интеграторов 3 и 13через ключевые элементы 7 и 15 соединены с первым, входом АЦП 4, являющимся входом измеряемого напряжения, Выход интегратора 9 черезключевой элемент 11 соединен с вторым входом АЦП 4, являющимся входомэталонного напряжения. Цифровой выход АЦП 4 подключен к входу блока 5.Управляющий вход задатчика 1 соединен с блоком 5, который являетсятакже источником командного сигнала.Управляющие входы ключевых элементов 6,7,10,11,14,15 и АЦП 4 подключенык управляющим выходам задатчика 1.Задатчик 1 по моментам переходаопорноГо напряжения через нулевойуровень формирует последовательностьуправляющих работой ключевых элементов 6,7,10,11,14 и 15 и запускомАЦП 4 сигналов в соответствии с алгоритмом функционирования предлагаемого устройства,Время замкнутого состояния ключевых элементов 6,10 и 14 определяетсяполупериодом переменного.напряжения,а время замкнутого состояния ключевых элементов 7,11 и 15 - временеманалого-цифрового преобразованиясигналов АЦП 4,Вычитатель 2 двух напряженийреализован по схеме усилителя с дифференциальными симметричными ( незаземленными 1 входами на трех операционных усилителях. Такое построение,обратной тригонометрической функции огс соз , С помощью порта ввода-вывода обеспечивается передача информации блока 5. с АЦП 4 и задатчика 1.Устройство для измерения угла сдвига фазы синусоидальных напряжений работает следующим образом.В исходном состоянии все ключевые элементы разомкнуты. Начало измерения угла. сдвига фазы задается задатчику 1 командным импульсом с блока 5, Задатчик 1 в момент перехода опорного напряжения через нулевой2 УЮ Ор шр Ч/ш+т/г Ч/в+Т/2 25) фгде Ои О - амплитудные значения соответственно 4 От исопорного Оор (11 и исслелуемогоЙ) напряжений;и - частота;Т - период переменных напряжений;( - измеряемый угол сдвигафазы между двумя напряженияминачальная фаза переменно 50го напряжения;Р - постоянный коэффициентинтегрирования (у интеграторов коэффициенты равны)Далее задатчик 1 переводит в замкнутое состояние ключевые элементы 11 и 15, тем самым подключая выходы интеграторов 9 и 13 к аналоговым входам АЦП 4. По сигналу с задатчика 1,происходит первый запуск АЦП 4, и в результате преобразования на выхо де АЦП 4 будет сформирован двоичный цифровой код .(2 О(р исОп рп65 уровень переводит ключевые элементы 6,10 и 14 в замкнутое состояние на время равное периоду переменного напряжения. Напряжения с выхода вы-читателя 2 и с выходов выпрямителей 8 и 12 поступают соответственно на 5 интеграторы 3,9 и 13 и интегрируются ,в течение времени, определяемого замкнутым состоянием ключевых элементов6,10 и 14. По истечении времени равного полупериоду переменного напря О жения задатчик 1 переводит ключевые элементы 6,10 и 14 в разомкнутоесостояние. По окончании времени интегрирования напряжения на выходах интеграторов 9,13 и 3 соответственно 15 равны:где и -,число двоичных разрядовАЦП 4;- постоянный коэффициент, завил 1 сящий от типа АЦП 4; И - - в максимальн цифровой экви- М Ъ валент аналого-циФрового преобразования измеряемого напряжения в единицах эталонного напряжения. Код й засылается в память блока 5, Далее задатчик 1 переводит ключевой элемент 15 в разомкнутое состояние, а ключевой элемент 7 - в замкнутое, По сигналу с задатчика 1 происходит второй запуск АЦП 4, и в результате преобразования на выходе АЦП 4 будет сформирован двоичный цифровой кодтоп (рис ( топ (рис)(2 )соэЧ= М х и О (2 пис 5гп оп т ор х М, СОЭ(Р . . 8)Код й пересылается в блок 5,а эадатчйк 1 переводит ключевые элементы 7 и 11 в разомкнутое состояниеС учетом выражений (71 и (8 1блок 5 производит вычисление искомого угла )о иэ выражения- МгЧшиисооо -На этом процесс измерения угласдв(ига фаэ двух напряжений заканчивают.Благодаря введению в устройстводля измерения угла сдвига фазы двухнапряжений вычитателя двух напряжений, результат измерения угла сдвига.фазы двух напряжений не зависитот наличия постоянной составляющейсмещения нулевого уровня опорного и.исследуемого напряжений и от воздействия синфазной помехи на вход устройства, что обеспечивает предлагаемому устройству большую точностьпо сравнению с прототипом.Введение в структуру предлагае"мого устройства двухполупериодныхвыпрямителей, дополнительных интеграторов и АЦП позволяет производитьизмерения угла сдвига фазы. двух напряжений независимо от соотношенияамплитуд опорного и исследуемого напряжений и независимо от частотыпериодических сигналов, что обеспечивает предлагаемому устройству большую точность по сравнению с прототипом при вариации соотношения амплитуд напряжений и частоты переменногонапряжения и более высокое быстродействие, так как отпадает необходимость в проведении дополнительныхпроцедур измерения амплитуды исследуемого напряжения и частоты периоди-ческих сигналов,юетник дписнР акаэ 4/5 илиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная б/47 Тираж 710 ВНИИПИ Государственного ком по делам иэобретений и от

Смотреть

Заявка

3463344, 05.07.1982

ОПЫТНОЕ КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ БЮРО С ОПЫТНЫМ ПРОИЗВОДСТВОМ ИНСТИТУТА МЕТАЛЛОФИЗИКИ АН УССР

ГЕТЬМАН ВАЛЕРИЙ ВАСИЛЬЕВИЧ, ЖУК ЛЕОНИД АЛЕКСАНДРОВИЧ, ОЛЕЙНИКОВ АЛЕКСАНДР ГЕОРГИЕВИЧ, СИНИЦКИЙ НИКОЛАЙ ЕВГЕНЬЕВИЧ

МПК / Метки

МПК: G01R 25/00

Метки: напряжений, сдвига, синусоидальных, угла, фазы

Опубликовано: 30.12.1983

Код ссылки

<a href="https://patents.su/5-1064227-ustrojjstvo-dlya-izmereniya-ugla-sdviga-fazy-sinusoidalnykh-napryazhenijj.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентов СССР">Устройство для измерения угла сдвига фазы синусоидальных напряжений</a>

Похожие патенты