Цифровой фазометр для измерения среднего значения сдвига фаз

РСЕ ООКР ":ЛЛЪи .ъ ОП САН ИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Союз Советских Социалистических Республик)с присоединением заявки МР -(51)М, Кл,3 С 01 К 25/00 Государственный комитет СССР оо делам изобретений и открытий(54) ЦИФРОВОЙ ФАЗОИЕТР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СРЕДНЕГО ЗНАЧЕНИЯ СДВИГА ФАЗ Изобретение относится к информационно-измерительной технике, в частности к области Фазовых измерений, и может быть использовано для измерения среднего значения сдвига Фаз между двумя периодическими сигналами.Известен цифровой фазометр, содержащий Формирующие устройства, триггеры, элементы И, два импульсных генератора с ударным возбуждением и счетчик импульсов 1(.Недостатком Фазометра является пониженная точность, обусловленная невысокой стабильностью частоты генераторов с ударным возбуждением. 15Известен другой цифровой Фазометр для измерения среднего значения сдвига Фаз, работающий на принципе совпадения регулярных импульсных последовательностей, Он содержит ключи, 20 ,Формирователь импульсов, триггер, коммутатор, элемент И, линии задержки, схему запрета, генератор эталонной частоты, счетчик периодов и счетчики квантующих импульсов 21 .25Однако этот Фазометр не может измерять фазовые сдвиги между входными сигналами, частота которых кратна частоте эталонного генератора, в слу.чае, если различаются начальные фазы 30 колебаний входных сигналов и эталонной частоты,Целью изобретения является обеспечение возможности измерения фазовыхсдвигов на частотах, кратных эталонной частоте.Укаэанная цель достигается тем,что в цифровой Фазометр для измерениясреднего значения сдвига Фаз, содержащий входные ключи, управлякщие входы которых подключены к выходам первого триггера, а выходы - ко входуФормирователя импульсов, выход которого соединен с первыми входами первого элемента И и первого ключа, свыходом которого соединен вход счетчика периодов, электронный коммутатор,первый выход которого подключен к управляющим входам первого и второгоключей, а второй выход - к управлякщему входу третьего ключа, два счетчика эталонной частоты, соединенныес выходами второго и третьего ключей,первый генератор эталонной частоты,введены второй генератор эталоннойчастоты, второй элемент И, одновибратор, два триггера, три ключа, два,элемента ИЛИ, блок селекции и шиназапуска, причем первый вход второгоэлемента И соединен с выходом Формкрователя импульсов, шина запуска соединена со входом одновибратора, выход которого через четвертый ключ подключен ко второму триггеру, первый ивторой выходы которого соединены соответственно с первыми входами пятогои шестого ключей, ко вторым входам которых подключены генераторы эталоннойчастоты, а выходы - через первый элемент ИЛИ соединены с первыми входамивторого и третьего ключей и непосредственно - со вторыми входами первого 10и второго элементов И, выход первогоиз которых через второй элемент ИЛИ,а выход второго через блок селекции ивторой элемент ИЛИ соединены со входами электронного коммутатора и перво-го триггера, выход первого элемента Исоединен также через третий триггерсо вторым входом четвертого ключа.На фиг 1 изображеиа структурнаяэлектрическая схема предлагаемого фазометра; на Фиг. 2 - временные диаграммы его работы,фазометр содержит входные ключи 1и 2, триггеры 3, 4 и 5, формировательб импульсов, элементы И 7 и 8, ключи9-14, генераторы 15 и 16 эталоннойчастоты, элементы ИЛИ 17 и 18 одновибратор 19, электронный коммутатор 20,счетчик 21 периодов, счетчики 22 и 23эталонной частоты, шину 24 запуска И,блок 25 селекции. 30фазометр работает следующим образом.В исходном состоянии триггер 3 находится в первом устойчивом состояниии удерживает входной ключ 1 открытым, 33а входной ключ 2 - закрытым, ключи11-14, закрыты, ключи 9 и 10 открыты.Входные напряжения О и О 2 частоты Г , фазовый сдвиг (которому нафиг. 28, соответствуеТ фазовый интер- до вал 1 Р) между которыми необходимо измерить, подают на входные ключи 1 и 2. Входное напряжение О 4, подключенное.к открытому входному ключу 1, будет опорным напряжением, а входное напряжение О 2, подключенное.к входному ключу 2 - измеряемым напряжением,Опорное напряжение через входной ключ1 поступает на формирователь 6 импульсов, который преобразует его в прямоугольные импульсы напряжения длитель- Ю ностью Т с периодом следования ТХ=1/х, (фиг. 2 а), привязанные к моментам перехода опорного напряжения через нуль.Эти импульсы поступают на первыевходы ключа 12 и элементов И 7 и 8На второй же вход элемента И 7 с выхода генератора 15 эталонной частотычерез открытый ключ 10 поступают прямоугольные импульсы напряжения длительностью Г с периодом следования Тэ 1/Уз (Фиг. 2 Ъ) . Последние, кроме того, через элемент ИЛИ 17 поступают на входы ключей 13 и 14.В случае, когда частота Гх входных сигналов кратна эталонной часттте Г генератора 15 и начальные фазы этих колебаний различны, время ожидания совпадения импульсов на входе элемента И 7 может быть как угодно большим и перебрасывания триггера 4 не происходит. В то же время одновибратор 19, запускаемый импульсом запуска по шине 24, Формирует импульс напряжения длительностью 0., задний фронт которого через открытый ключ 9 перебрасывает триггер 5. Последний закрывает ключ 10 и открывает ключ 11, тем самым прекращается поступление на второй вход элемента И 7 импульсов с выхода генератора 15 эталонной частоты Гэ . Ко второму входу элемента И 8 подключается выход генератора 16 эталонной частоты Г , который Формирует прямоугольные импульсы напряжения длительностью Г с периодом следования Тэ- 1 Йэ (Фиг. 27,). Последние, кроме того, поступают через элемент ИЛИ 17 на входы ключей 13 и 14.Длительность 0, импульса одновибратора 19 выбирается из следующих соображений.Временной интервал Т между последовательными совпадениями во времени импульсов длительностью Г с периодами следования Т и ТЭ равенТ- х .2. (1)с 2Исходя .из Формулы (1) длительность 0 импульса одновибратора определяется хм Тз Вт - (2)где ТХ - наибольший из периодов следования входных сигналов.Из выражения,(2) следует, что одновибратор 19 задает максимальный временный интервал, в течение котороговозможно совпадение импульсов, сформированных соответственно из входногосигнала и сигнала генератора 15. Если же в течение времени 0 совпаденияимпульсов на входе элемента И 7 непроисходит, то из этогб следует, чточастота Г входных сигналов кратнаили равна частоте Г генератора 15,причем начальные Фазы колебаний входныхсигналов и эталонной частоты различны1Поскольку частота Гэ = Гэ+ д Г(где Ь Г - разница между частотамии Г), т. е. частота ГВуже некратна частоте Гх входных сигналов,то неизбежно произойдет совпадение зво времени выходного импульса формирователя б с импульсом генератора 16эталонной частоты Гэ,Оценим величину разницы дГ. Погрешность измерения временных инвервалов, заключенных между импульсами совпадений, используемых для определения искомого фазового сдвига, в известном устройстве составляет + 2 .Чтобы не превысить эту погрешностьи при измерениях Фазовых сдвигов начастотах входных сигналов, кратныхчастоте 1 й (т. е. в том случае, когда происходят совпадения импульсовформирователя б с импульсами генератора 16 эталонной частоты Г) иучитывая, что частоты Г и 1 Э близки, так как д Т невелика, необходимо,чтобы выполнялось условие дТ(2Так как величина ЬТ равна(4) дТ = Т- Т =оэТв где о - относительная нестабильностьЭэталонной частоты Г з относительно эталонной частоты 19, то из последнего равенства получаютс 2 ь/ТТогда эталонная частота Топределяется из выражения+ 10 Гцт. е. условие (3), обеспечивающее необходимую точность измерения на частотах входных сигналов, кратйых эталонной частоте Г, технически реализуется просто.Из условия (3) также следует, что при сравнении во времени (в элементе И 8) последовательностей импульсов длительностью 1 с близкими периодами Ти Т, т. е. в случае кратности частот Г и ГЭ ), будут иметь место не одиночные совпадения импульсов, а периодически следующие пакеты совпадений, число импульсов в которых прямо пропорционально 1 и обратно пропорционально разности (Тх -Т ), Для обеспечения возможности измерения в этом случае пакеты. совпадений с выхода элемента И 8 поступают на вход блока 25 селекции, функциональное назначе; ние которого состоит в выделении одийаковых по номеру (например первых) импульсов пакетов совпадений. Т. е. из пакета совпадений, поступившего на вход блока 25 селекции, на выход последнего проходит только один импульс, что необходимо для нормальной работы фазометра.Далее импульс с выхода блока 25 се лекции через элемент ИЛИ 18 поступает на входы электронного коммутатора 20 и триггера 3. Последний перебрасыва" ется во второе устойчивое состояние, закрывая входной ключ 1 и.открывая входной ключ 2, через который измеряемое напряжение начинает поступать .на вход формирователя б импульсов, А, а в счетчике 22 эталонной частотыкод и.Далее коды А, щ и г, вводятся в электронную цифровую вычислительную машину для вычисления искомого Фазового сдвига, который определяется по Формуле(Д)(п-д)фУ =й 2 Й,( 3 ) 65 где который преобразовывает его в прямоугольные импульсы напряжения длительностью Г с периодом следования Т1/Г (Фиг. 2,Ы, привязанные к моментам перехода измеряемого напряжения через нуль Далее эти импульсыпоступают на первые входы элементовИ 7 и 8, и ключа 12. Одновременно сэтим срабатывает электронный коммутатор 20 и на его обоих выходах появляется единичный уровень напряжения,который открывает ключи 12, 13 и 14.Через открытый ключ 12 с выхода Формирователя б импульсов на вход счетчика 21 периодов начинают поступатьимпульсы измеряемого напряжения, через открытые ключи 13 и 14 на входысоответственно счетчиков 22 и 23 начинают поступать с выхода элементаИЛИ 17 импульсы с выхода генератора16 эталонной частоты,Э20 . При совпадении во времени выходного импульса формирователя б, сформированного из измеряемого напряжения,с импульсом генератора 16 вновь срабатывает элемент И 8 и на его выходе2 появится пакет совпадений. Импульс,выделенный иэ последнего блоком 25селекции, через элемент ИЛИ 18 поступает на вход триггера 3 и возвращает его в исходное состояние. ВходЗ ной ключ 2 закрывается, а входнойключ 1 открывается и опорное напряжение через формирователь б импульсов начинает поступать на первыевходы элемента И 8 и ключа 12, Тотже импульс с выхода элемента И 8,поступая на вход электронного коммутатора 20, снимает единичный уровень напряжения с его первого выхода, закрывая ключ 14. Тем самым всчетчике 23 эталонной частоты Форми 40 руется код а,При совпадении во времени выходного импульса Формирователя б импульсов, сформированного из опорного напряжения, с импульсом генератора 164 снова срабатывает элемент И 8 и наего выходе появится пакет совпадений,из которого блок селекции 25 выделяетимпульс, поступающий через элементИЛИ 18 на электронный коммутатор 20.Последний снимает единичный уровеньнапряжения со своего второго выхода,закрывая ключи 12 и 13. Тем самым всчетчике 21 периодов Формируется кодФормула изобретения Цифровой фазометр для измерения среднего значения сдвига фаз, содер" жащий входные ключи, управляющие входы которых подключены к выходам первого триггера, авыходы - ко входу формирователя импульсов, выход которого соединен с первыми входами первого элемента И и первого ключа, с выходом которого соединен вход счетчика периодов, электронный коммутатор, первый выход которого подключен к управляющим входам первого и второго ключей, а второй выход - к управляющему входу третьего ключа, два счетчика эталонной частоты, соединенные 30 35 Из выражения (3) следует, что . фазовый сдвиг Р является инвариантным (независимым) по отношению к значению эталонной частоты Г илиКогда частота Г входных сигналов не кратна частоте Гз генератора 15, 5 тогда совпадение во времени импульсов на входе элемента И 7 произойдет раньшечем окончится импульс длительностью 0. одновибратора 19, и импульс с выхода элемента 7, перебросив триггер 1 р 4, закроет ключ 9, тем самым запрещая Переброс триггера 5 после окончания импульса одновибратора. Следовательно, в течение времени измерения ко второму входу элемента И 7 будет подключен генератор 15 эталоннойчастоты. Во всем остальном работа фазометра протекает аналогично, но эа исключением того, что импульсы совпадения с вы хода элемента И 7 поступают на вход элемента ИЛИ 18 непосредственно. 20 с выходами второго и третьего ключей,и первый генератор эталонной частоты,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, сцелью обеспечения возможности измерения фазовых сдвигов на частотах,кратных эталонной частоте, в негодополнительно введены второй генератор эталонной частоты, второй элемент И, одновибратор, два триггера,три ключа, два элемента ИЛИ, блок селекции и шина запуска, причем первыйвход второго элемента И соединен свыходом формирователя импульсов, шиназапуска соединена со входом одновибратора, выход которого через четвертый ключ подключен ко второму триггеру, первый и второй выходы которогосоединены с первыми входами пятого ишестого ключей, ко вторым входам последних подключены первый и второйгенераторы эталонной частоты, а выходы этих ключей через первый элементИЛИ соединены с первыми входами второго и третьего ключей и непосредственно - со вторыми входами первого ивторого элементов И, выход первогоэлемента И черезвторой элемент ИЛИ,а выход второго элемента И через блокселекции и второй элемент ИЛИ соединены со входами электронного коммутатора и.первого триггера, выход первогоэлемента И соединен также через третий триггер со вторым входом четвертого ключа.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССРР 231665, кл. С 01 й 25/08, 18.07.67,2. Авторское свидетельство СССРР 381038, кл. 0 01 й 25/08, 26,02.71.773519Рие. ЯСоставитель В. НовожиловРедактор М.Недолуженко ТехредМ.Табакович Корректор Г.НазароваТираж 1019Заказ 7494/57ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 Филиал ППП "Патент" г. ужгород, ул. Проектная, 4