Цифровой фазометр

ОП ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ и 1798622 Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик(5 )М. Кд.З 01 В 25/00 Веудвретееавмй кемвтет СССР до делам изобретений н Рпщь 4 тнй(72) Авторы изобретения О. М. Дерфель и М. В. Хохряков аявитель ЦИФРОВОЙ ФАЗОМЕТР е х авляраИзобретение относится к информационно-измерительной технике и предназн. чено для измерения среднего (за постоянное время измерения) угла сдвига фаз между двумя синусоидальными напряжениями или между двумя последовательностями электрических импульсов.Фазометрам с постоянным временем измерения присуща низкочастотная погрешность дискретного преобразования От, обусловленная некратностью периода исследуемого напряжения и времени измерения фазометра, а также.случайным расположением моментов начала и окончания времени измерения Ткц по отношению к пачкам импульсов Тсч.Известны цифровые фазометры среднего значения сдвига фаз, в которых ослабление низкочастотной погрешности достигается путем изменения частоты кван. тующих импульсов, причем она изменяется по зависимости, симметричной относительно середины временного интервала Ти,д В результате уменьшается "вег пачек счетных импульсов, совпадающих с начальной и конечной областью интервала Ти, . Недостатком устройства является схемная сложность н высокие метрологические требования к узлам, об спечивающим неооходимую точность реализации закона изменения квантующей частоты 1.Из известных устройств наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является цифровой фазометр среднего значения сдвига фаз, принцип действия которого основан на измерении интервала времени ВТЧ , пропорционального, фазовому сдвигу , путем его квантования и подсчета числа кваитующи импульсов (с периода следования ТсЧ )эа несколько периодов,. исследуемых напряжений в течение постоянного, времени измеренияТ 2 .Недостатком известного, устройства является наличие ниэкочастотнй сост ющей погрешности дискретного преоб зован ия.3 7936Целью изобретения является повышение точности измерения среднего знач - ния угла сдвига фаз между исследуемыми сигналами за счет снижения низкочастотной погрешности дискретного преобразования,3Для достижения поставленной цели в устройство, содержащее два формировате ля импульсов, подключенных через фазовый дискриминатор к одному из входов квантующего элемента И, второй вход которого соединен с синхронизирующим выходом блока управления, чей управляюший выход через первый вход регистрируюшега элемента И подключен к счетчику результата введен блок равномерного распределения импульсов в цикле измерения, состояший из последовательно включенных блока удлинения временного интервала, ограничителя ншрюкения, преоЬразовате 20 пя напряжение-частота и разделительного элемента И, а также из двух счетчиков, двух групп вентилей, регистра и бло. ка анализатора "0", причем разрядные выходы первого счетчика соединены с разрядными входами второго через последовательно включенные первую группу вентилей, регистр и вторую группу вентилей, первый командный выход блока управления соединен со вторым входом30 первой группы вентилей, а второй командный выход - со вторым входом второй группы вентилей, при этом выход второго счетчика через блок анализатора "О" соединен со вторым входом разделительного элемента, а вход блока. удлинения времен-ного интервала соединен с выходом фазового дискриминатора, счетный вход первого счетчика - с выходом квантующего элемента И, а выход разделительного элемента И соединен со счетным40 входом второго счетчика и со вторым входом регистрирующего. элемента И.На чертеже представлена блок-схема устройства.4Устройство содержит формирующиеустройства 1 и 2, фазовый дискриминатор3; блок 4 управления, элемент И 5блок6 равномерного распределения квантуюших импульсов пачки на период исследу%0емого сигнала, блок 7 увеличения длительности входного импульса на. время,равное периоду следования квантуюшихимпульсов, блок 8 нормализации амплитуды входного импульса и выделениясреднего значения нормализованного нап- ряжения, преобразователь 9 напряжениечастота", элемент И 10, счетчики 11 и 12 измерения количества импульсов в пач 4ке, группы 13 и 14 вентилей, регистр 15, блок 16 анализатора "0, элемент И 17 счетчик 18 результата, синхронизирующие вход 19 и выход 20 блока управления, соответственно первый - третий 21-23 командные выходы блока управления, первый 24 и второй 25 входы устройства.Первый и второй входы 24 и 25 фазометра подключены ко входам соответствующих формирующих устройств 1 и 2 выходы которых соединены со входами фазового дискриминатора 3, чей выход соединен с первым входом двухвходового элемента И 5, входом блока 7 и синхронизируюшим входом 19 схемы 4 управления, Синхронизируюший выход 20 схемы 4 управления связан со вторым входом элемента И 5, Выход блока 7 через блок 8 соединен со входом преобразователя 9 "напряжение-частота" выход которого со единен с первым входом двухвходового элемента И 10.Выход элемента И 5 соединен со счетным входом счетчика 11, разрядн 1 ые выходы которого через группу 13 вентилей связаны с разрядными входами регистра 15, разрядные выходы которого через группу 14 вентилей соединены с разрядными входами счетчика 12,Выход элемента И 10 соединен со счетными входом счетчика 12 и вторым входом двухвходового элемента И 17, Выход счетчика 12 через блок 16 анализатора "0" связан со вторым входом элемента И 10, Выход элемента И 17 связан со счетным входом счетчика 18, результата. Первый, второй и третий командные выходы 21-23 схемы 4 управления соединечы соответственно с управляюшими входми групп 13 и 14 вентилей и первым входом двухвходового элемента И 17.Основной принцип работы предлагаемого устройства заключается в тлм, что в устасовившемся режиме работы с помо- щью схемы 6 обеспечивается равномерное распределение импульсов пачки в пределах всего периода исследуемого сигнала, в результате чего временной интервал Тцм квантуется практически, ровно-отстоящими импульсами, За счет этого осуществляется снижение низкочастотной погрешности измерения угла сдвига фаз.Устройство работает следующим образом.ф 1 рмируюшие устройства 1 и 2 вырабатывают прямоугольные импульсы, временной сдвиг ЬТц между которымиЬ 7986 пропорционален фазовому сдвигу Ч между входными сигналами, Поступившие на входы фазового дискриминатора 3 импульсы преобразуются им в последовательность прямоугольных импульсов с длительностью ьТц, и периодом, равным периоду входных сигналов Т,Блок 7 вырабатывает последовательности прямоугольных импульсов того же периода, но увеличенной длительности ат= ать 1 сч. (1)Блок 8 осуществляет последовательно следующие преобразования:а) нормализацию амплитуды импульсов, 1 З т,е. ограничение максимального и минимального напряжения импульсов на некоторых значениях Ощакс, Одннб) выделение (на фильтре нижйих частот) постоянной составляющей нормали- та зованного напряжениямин 1 макс тООст т 22 6вателя 9 (за время Т) и число импульсов в пачке, найдем связь между Х и У.Так как начало временного интервала Т несинхронизировано относительно последовательности импульсов Т на первый вход элемента И 10 поступйт либо М, либо М+1 импульсов, т,е.или М;Х ==ф+= Т +(+;1 тчЧисло У является результатом квантования временного интервала кТ периодомТсч, причем АТ и ТсЧ некратны, иаТ случайным образом 1 расположено поотношенню к импупьсам Тсч.Используя (9), получим, что ТсЧпоступающей на вход преобразователя -9 "напряжение-частота" с характеристи-кой видапнч 1 ькф(3) где К( - коэффициент пропорциональности Учитывая (1), (2) и (3), получим п,нц 1(макс мин 1 30 35, ьТч+ТсчтВыбрав значение К из условияУ лмакс мин сч макс мин )выражение (4) примет вид43За время Т на выходепреобразователя9 сформируется К периодов частоты(учитывая, что частота входногоФЯп.н. чсигйала и 1 п н ч независимы).к:Г т - :мм,т (в+А)тп, .чПНМ йй ЧЗЮ где М - целая часть числа К(М = 3(И );А -дробная часть К (т.е. 021).Обозначив через Х и У соответственно число импульсов на выходе преобразо или М; или М,(11),Из выражений (8) и (11) следует,что эа один период квантования АТ число импульсов, формируемых на выходе преобразователя 9, или равно, или не более чем на два нмпульса больше, чем число импульсов в пачке. Этим исключается потеря хотя бы одного импульса при их подсчете в счетчике 18.Счетчик 11 регистрирует число импульсов, содержащихся в каждой пачке, поступающей с выхода элемента И 5. По заднему фронту импульса йТ с первого командного выхода 21 блока 4 управления на группу 13 вентилей. поступает импульсный сигнал, осуществляющий пере пись кода счетчика 11 в регистр 15,По переднему фронту импульса аТ на втором командном выходе 22 блока 4 управления формируется сигнал, поступающий йа группу 14 вентилей, по которому код иэ регистра 15 переписывается в счетчик 12. При коде, отличном от нуля, на выходе блока 16 анализатора 0" образуется. разрешающий, потенциал, подаваемый на второй вход элемента И 10, н импульсы преобразователя 9 через элемент И 10 поступаютодновременно на вход вычитающего счетчака 12 и на вход суммирующего счетчяка 18 результата7 79 ЙВ (через элемент И 17, на первый вход которого с третьего командного выхода 23 схемы 4 управления подается разрешающий потенциал на время измерения -ТД, По окончании ТцА элемент И 17 закрывается, Число, полученное в счетчике 18, результата, пропорциональное среднему углу сдвига фаз между исследуемыми сигналами.Таким образом, число импульсов, пос- О. тупающих на счетчик 18 в каждом периоде квантования ЬТ, равно числу импульсов в пачке, подсчитываемых счетчиком 11. При этом частота поступления импульсов в счетФюк 18 существенно ниже;З чем частота импульсов в пачке, в результате чего импульсы, поступающие в счет- чик 18, распределяются практически равномерно в течение всего интервала време. ни измерения. Поэтому введение.в схему. 20 цифрового фазометра блока равномерного распределения импульсов в цикле измерения обеспечивает снижение низкочастотноМ погрешности дискретного преобразования и повышение. точности измерения. 25Предлагаемое устройство может быть использовано в народном хозяйстве со значительным экономическим эффектом за счет значительного повышения точности измерения фазового сдвига. ЗОформула изобретенияЦифровой фазометр, содержащий два З формирователя импульсов, подключенных через фазовый дискриминатор к одному из входов квантующего элемента И, второй вход которого соединен с синхрониэирующим выходом блока управления, чей управ 4 щ ляющий выход через первый вход регистрирующего элемента И подключен к счетчику результатов, о т ли ч а ю щ и й -с я тем, что, с целью повышения точности измерения среднего значения угла сдвига фаз за счет снижения низкочастотной погрешности дискретного преобразования, в него введен блок равномерного распределения импульсов в цикле измерения, состоящий. из последовательно включенных блока удлинения временного интервала, ограничителя напряжения, преобразователя напряжение-частота и разделительного элемента И, а также из двух счетчиков, двух групп вентилей, регистра и блока анализатора "О", причем разрядные выходы первого счетчика соединены с разрядными входами второго через последовательно, включенные первую группу вентилей, регистр и вгорую группу вентилей, первый командный выход блока управления соединен со вторым входом первой группы вентилей, а второй командный выход - со вторым входом второй группы вентилей, при этом выход второго счетчика через блок анализатора "0" соединен со вторым входом разделительного элемента И, а вход блока удлинения временного интервала соединен с выходом фазового дискриминатора, счетный вход первого счетчика - с выходом квангующего элемента И, а выход разделительного элемента И соединен со счетным входом второго счетчика. и со вторым входом регистрирующего элемента И.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1, Смирнов П. Т. и Мурашов О. В,Сокращение времени измерения цифровыхфазометров.-Вопросы радиоэлектроники",1969, Серия РТ, вып. 4, с, 18-.22.2. Орнахтский П, П. Автомагическиеизмерительные приборы, "Вища школа",1971, с. 420 (прототип).