Аналого-цифровой низкочастотный фазометр

(5 П 5 ОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССРГОСПАТЕНТ СССР) ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН ЕТЕЛЬСТВУ КОМУ ковСС74 Н ИЗ КОЧА- рительная фаз между(56) Авторское свидетельство СМ 432419, кл ( 01 В 25/00, 19Авторское свидетельство СМ 1596269. кл. 6 01 й 25/ОО, 1(57) Использование: фазоизмтехника, измерение угла сдвиг двумя гармоническими колебаниями в области низких частот, Сущность изобретения: устройство содержит входные формирователи (1,2), ВЯ-триггер 3, 1 К-триггер 4, источник 5 постоянного напряжения, элемент И 6. элемент ИЛИ 7, счетные триггеры 8,9, электронные ключи 10,11, инвертор 12, временные селекторы 13,14, генератор 15 счетных импульсов, счетчики 16,17 импульсов, интегратор 18, неинвертирующий усилитель 19, ограничитель 20 напряжения, компаратор 21, цифроаналоговый преобразователь 22. дифференцирующие цепочки 23,24. 2 ил,Рур /,/7Изобретение относится к фазоизмерительной технике и может быть использовано для измерения угла сдвига фаз между двумя гармоническими колебаниями в области низких частот.Известен цифровой низкочастотный фазометр Я, содержащий управляемый делитель напряжения, представляющий собой последовательное соединение выходных цепей двух преобразователей код - сопротивление, При этом выходное сопротивление одного из преобразователей пропорционально фазовому сдвлгу у, а другого пропорционально величине 360 - р, При выполнении этого условия выходное напряжение делителя. на выход которого подается стабильное постоянное напряжение, пропорционально фазовому сдвигу,Недостатком этого устройства является наличие большого числа резисторов и реле - сложность конструкции преобразователя код - сопротивление, а также зависимость показаний отсчетного устролства от постоянного напряжения О. нестабильность которого увеличивает погрешность измерения.Наиболее близким к заявляемому является цифровой низкочастотный фазометр 2), использующий метод нахождения Ьр поэтапным преобразованием интервалов времени Лт и Т в постоянные напряжения с помощью интегратора, входящего в состав АЦП, запоминание полученных напряжений в блоках выборки-хранения с последующим нахождением отношения этих напряжений в АЦП двойного интегрирования,Такой фазометр имеет недостатки, Ему свойственно большое время измерения фазового сдвига обусловленное последовательным во времени преобразованием Лт и Т в постоянные напряжения с помощью интегратора, наличие дополнителнной погрешности, обусловленной тем, что преобразования Лт и Т в постоянные напряжения осуществляются в течение двух периодов исследуемого сигнала 1 первый и второй такты интегрирования), причем первый такт (преобразование Лт) начинается с приходом первого периода исследуемого сигнала, а второй такт (преобразование Т) начинается с приходом второго периода, при изменении частоты колебаний исследуемого сигнала от периода к периоду возможно появление дополнительной погрешности. Кроме того, фазометру свойственна статическая погрешность зависящая главным образом от входного сдвига и 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 дрейфа интегратора и сравнивающего устройства (компаратора).Цель изобретения - повышение быстродействия и увеличение точности измерения фазового сдвига.Цель достигается тем, что в предлагаемом фазометре преобразования Л 1 и Т в напряжения осуществляются в течение одного периода исследуемого сигнала. Для уменьшения статических погрешностей фазометра его структура изменена так. что точность интегратора в основном определяет общую точность измерения фазового сдвига,На фиг,1 приведена структурная схема фазометра; на фиг.2 - диаграммы напряжений. поясняющие принцип действия фазометра,Фазометр содержит входные формирователи 1 и 2, ЯЯ-триггер 3,К-триггер 4. источник 5 постоянного напряжения. элеменИ 6, элемент ИЛИ 7. счетные триггеры 8 и 9. электронные ключи 10 и 11. инвертор 12 временные селекторы 13 и 14. генератор 15. счетных импульсов, счетчики 16 и 17 импульсов, интегратор 18, неинвертируащий усилитель 19, ограничитель 20 напряжения. компаратор 21, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 22. дифференцирующие цепочки 23 и 24.Фазометр работает следующим образом.Формирующие устройства 1 и 2 вырабатывают короткие импульсы, соответствую. щие переходу сигналов О и О через ноль из отрицательных значений в положительные. На выходе ЯЯ-триггера 3 вырабатывается импульс, длительность которого Л, соответствует фазовому лнтер валу /Ър (сдвигу фаз) фиг,2, Оз),С приходом пускового импульса (фиг,2;ПУСК) в момент времени триггеры 4,8.9 устанавливают в нулевое сосояние. счетчик 17 обнуляется, Короткий импульс. приходящий с выхода формирователя 2. в момент т переводит триггер 4 а едлничное состояние, Это происходит потому. что в момент времени т 11 К-триггер 4 находится ь счетном режиме, так как на 1- и К-входах присутствует единица. т,е, сигнал инвертирующего выхода триггера 8 (фиг 2 Оз), На выходе триггера 4 вырабатывается импульс (Фиг.2, О 4), открывающий временной селектор 13 и на вход счетчика 16 разрешается прохождение счетных импульсов частотой Ьс выхода генератооа 15. По переднему фронту импульса триггера 4 дифференциру ощутя цепочка 23 вырабатывает имгульс обнуляющий счетчик 16. Таким образом(2) момент начала счета исходное состояние счетчика 16 - нулевое. В момент времени т 2 на выходе элемента И 6 вырабатывается импульс (фиг,2, Об), открывающий ключ 10, На вход интегратора 18 поступает положительное напряжение с выхода источника 5. Напряжение на выходе интегратора начинает убывать по линейному закону (фиг,2, 017). В момент времени 1 з триггер 4 переводится в нулевое состояние (фиг,2, 04), триггер 8 - в единичное. На входыи К 1 К-триггера 4 поступает нулевой уровень и сигналы на входе С не вызывают изменения состояния триггеров 4 и 8 до следующего прихода сигнала ПУСК, В момент времени тз временной селектор 13 закрывается, в счетчике 16 фиксируется число импульсов К:Й = то (1 З - 11) = то Т. (1) где Т - период исследуемого сигнала,В этот же момент времени электронный ключ 10 закрывается и к моменту времени тз напряжение на выходе ингегратора 1811Оинт = - 10 СЗт = . -- ОПЗ - т 2) =72 7--- Лт,Огде О - напряжение источника 5:7 - постоянная времени интегратора; (1 з - т 2) - времен ной интервал интегрирования, соответствующий фазовому сдвигу Лгр.В момент времени 1 з также происходит переключение триггера 9 в единичное состояние (фиг,2, 09) и на его выходе появляется импульс. открывающий временной селектор 14, на вход счетчика 17 разрешается прохождение счетных импульсов с генератора 15 (фиг,2. 014). элемент И 6 переключается в нулевое состояние, ключ 10 закрываетг:я. на выходе инвертора 12 вырабатывается импульс, открывающий ключ 11, На вход интегратора 18 поступает напряжение с выхода ЦАП 22Оцап = КпМ Оогр. (3) где Кп - коэффициент преобразования ЦАП 22;Оогр - выходное напряжение ограничителя 20,Следует отметить, что коэффициент усиления усилителя 19 выбирается достаточно большим, поэтому практически с началом интегрирования О на интервале 1 з - 12 усилитель 19 попадает в режим насыщения(фиг,2, 018), Фазы передачи сигнала интегратором и усилителем 19 выбраны таким образом, что напряжение насыщения 01 в всегда имеет противоположную полярность к О, Использование ограничителя 20 напряжения. в наиболее простом варианте выполненногона стабилитроне, подключенном к выходуусилителя 19 через балластный резистор.которое в зависимости от М преобразуется5 в напряжение Оцап, позволяет сформировать напряжение, служащее в последующемтакте интегрирования в качестве опорного,Выходное напряжение интегратора после подачи на его вход начинает изменяться10 в противоположную сторону и к моментувремени сх достигнет 0:Оинт - . / Оцап дт = О. (4)тзРешая уравнение (4) относительно (ь 1 з). получимОтнт О Лттх - сз = гОцап КпйОогр1 0 1 Л 1(5)20 Кп Оор 1 о ТПо окончании разряда емкости интегратора усилитель 19 выходит из насыщения ипопадает в активный режим. Перепад напряжения на выходе усилителя 19, образующийся при уравновешивании, приводит ксрабатыванию компаратора 21 (фиг,2, 02 о) ина выходе дифференцирующей цепочки 24вырабатывается короткий импульс (фиг,2,02 з), переключающий триггер 9 в нулевое30 состояние (фиг,2, 09), Временной селекторзакрывается, в счетчике 17 устанавливаетсячисло импульсов4 х = о (1 х - тЗ), (6)С учетом выражения (6) уравнение (5)35 примет вид1 О Лт- = К р=йьКп Оогр1 0где К = -- общий коэффициент пре.Кп Оогр40 образования.Выбирая значение К = 3.6 10". где и -- :1.2.3 можно получить отсчет М непосредственно в градусах,Следует отметить, что электронный45 ключ 11 остается замкнутым до начала следующего цикла преобразования. интегратор 18 и усилитель 19 оказываются охваченными отрицательной обратной связью (ООС)через ограничитель напряжения и ЦАП. Боль 50 шое усиление в петле ООС на постояйномтоке способствует поддержанию на выходеинтегратора нап ряжения, равного сдвигу навходе усилителя 19 (при отсутствии сдвигана входе интегратора) до следующего цикла55 преобразования,Исходя из вышеизложенного следует,что изменение структуры преобразованияпозволяет обеспечить следующие преимущества заявляемого устройства, приводимые в сравнении с прототипом, 1780042За счет гого что преобразование временных интервалов Ли Т в постоянные напряжения происходит в течение интервала времени Т, т,е, за время одного периода; исключается погрешность, появление которой возможно за счет изменения частоты сигнала в процессе измерений, таким образом, фазометр позволяет определять мгновенное значение фазового сдвига,Уменьшается значение статической погрешности, обусловленной входным сдвигом и дрейфом интегратора и сравнивающего устройства за счет введения следящей ООС с выхода усилителя 19 на вход интегратора. Формула изобретения Ааналого-цифровой низкочастотный фазометр, содержащий счетчик импульсов, два формирователя, два электронных ключа, генератор счетных импульсов, ВЯ-триггер. источник опорного напряжения, компаратор, интегратор. временной селектор, при этом входы формирователей являются входами фазометра. выход первого формирователя подключен к 5-входу, а выход второго - к Л-входу ВБ-триггера, выход источника опорного напряжения через первый ключ соединен с точкой, объединяющей вход интегоатора и выход второго электронногоо ключа, вьход генератора импульсов соединен с входом временного селектора, выход которого соединен с входом счетчика, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения быстродействия и увеличения точности измерения Фазового сдвига, в него введень: К-триггер первый и второй счетные триггеры, элемен- ИЛИ. элемент И, второй временной селектор, втс рой счетчик. цифроаналоговый преобразователь, ограничитель напряжения, неинвертирующий усилитель, инвертор первая и вторая дифференцирующие цепочки, причем С-вход К- триггера соединен с выходом второго 5 формирователя, а выход объединяет С-выходы первого и второго счетных триггеров входы второго временного селектора, первой дифференцирующей цепочки и второго входа элемента И, первый вход которого 10 соединен с выходом ВЯ-триггера, а выход -с вторым входом первого электронного ключа и входом инвертора, выход которого соединен с первым входом второо электронного ключа, вход неинвертирующе го усилителя соединен с выходом интегратора, а выход - с входами ограничителя напряжения и компаратора, при этом выход ограничителя соединен с входом опорного напряжения цифроаналогового преобразо вателя, выход которого соединен с вторымвходом второго электронного ключа, выход компаратора соединен через вторую дифференцирующую цепочку с вторым входом элемента ИЛИ выход которого соединен с 25 В-входом второго счетного триггера. выходкоторого соединен с вторым входом первого временного селектора. инвертирующий вы ход первого счетного триггера соединен с 1- и К-входами К-триггера. второй вход второ- ЗО го временного селектора соединен с выходом генератора счетных импульсов. а выход - с входом второго счетчика импульсов, выходная шина соединена с входной шиной цифроаналогового преобразователя 35 выход первой дифференцирующей цепочкисоединен с входом сброса второго счетчика В-входы К-триггера, первого счетного триггера, первого счетчика и первого входа элемента ИЛИ объединены с третьим входом 40 фазометра, входом "Пуск"1780012 ЮЯ Составитель С, ЧерняковаТехред М.Моргентал Корректор В. Петращ Редактор изводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 Заказ 4434 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж. Раушская наб., 4/5