Цифровой фазометр

Союз Советских Социалистических РеспубликОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ и 1892343(22) Заявлено 290 180 (21) 2875957/18-21с присоединением заявки Нов(23) Приоритет -Опубликовано 231281. Бюллетень М 47Дата опубликования описания 2312.81 51 М з С 01 В 25/00 Государственный комитет СССР по дедам изобретений и открытий(54) ЦИФРОВОЙ ФАЗОКЕТР Устройство относится к фазоизме- рительной технике и может быть использовано в прецизионных цифровых фазометрах.Известен цифровой фазометр, содержащий формирующие блоки опорного и измерительного каналов, генератор квантующих импульсов, триггеры, счетчик импульсов, схемы совпадения и делитель частоты 1).Недостатком устройства является. наличие значительной ошибки измерения фазового сдвига, вносимой формирующими блоками, которые содержат усилители-ограничители, формирующие прямоугольное напряжение иэ гармонического сигнала.Известен цифровой фазометр, который содержит формирователи опорного н измерительного каналов, генератор квантующих импульсов, триггер, счетчик импульсов с индикацией, схемы совпадения, триггеры, дополнительный счетчик и элемент задержки 2.Недостатком известного устройст" ва является значительная ошибка измерения из-эа флюктуаций прямоугольных напряжений на выходах формирователей опорного и измерительного каналов. Цель изобретения-повышение точности измерения фазового сдвига.Поставленная цель достигается тем,что цифровой Фаэометр, содержащийтриггер, генератор квантующих импульсов, элемент совпадения, счетчикс индикацией и Формирователь в каждом иэ двух каналов, снабжен М триггерами, комбинационным дешифраО тором, сумматором, регистром памяти,блоком управления и в каждом иэ каналов ИФормирователями, причемвходы формирователей каждого иэ каналов объединены, первые выходы каж дого из формирователей второго канала соединены соответственно с первыми установочными входами каждогоиз Б триггеров, выходы каждого из И:формирователей первого канала сое динены соответственно со вторымиустановочными входами каждого иэ Мтриггеров, первый и второй выходытриггеров подсоединены к входам комбинационного дешифратора, выход которого соединен с кодовыми входамиблока управления и с первыми входами сумматора, выходы которого соединены с входами регистра памяти,вход синхронизации всех Формирова телей, с входом синхронизации блокаупранления и с выходом генератора квантующих импульсов, а выходы соединены с вторыми входами сумматора и с кодовыми входами счетчика с индикацией, счетный вход которого соединен с выходом переноса сумматора, а вход сброса - с входом сброса регистра памяти и с первым выходом блока управления, второй и третий выходы которого соединены с соотнетствующими третьими и четвертыми установочными входами всех триггеров, четвертый выход - с управляющими входами И Формирователей первого канала, а управляющий вход - с выходом элемента совпадения, входы которого соединены соответственно с вторыми выходами формирователей второго канала.Ба чертеже представлена структурная схема цифрового Фазометра,Цифровой фазометр формирователя 1-1-1-И первого канала формирователи 2-1-2-И второго канала, генератор 3 кнантующих импульсов, триггера 4-1- 4-И, комбинационный дешифратор 5, сумматор б,регистр 7 памяти, элемент 8 совпадения, блок 9 управления, и счетчик 10 с индикацией.ЦиФровой фаэометр работает следующим образом.Перед началом измерения триггеры 4, регистр 7 памяти и счетчик 10 с индикацией находятся в нулевом состоянии, поэтому к входам сумматора б с вь.ходов комбинационного дешифратора 5 и с выхода регистра 7 памяти приложены двоичные коды 0Р а значит, по каждому импульсу генератрра 3 кнантущцих импульсов происходит суммирование нулей нсумматоре 6, сигнала переноса на выходе сумматора о не возникает, и счетчик 10 с индикацией остается в нулевом состоянии. С четвертого выхода блока 9 управления на управляющие входы Формирователей 1-1-1-И подается сигнал, разрешающий проход сигнала на входы Формирователей 1-1-1-И.Возможны два режима работы;а) работа при измерении некритических Фазовых сдвигов, т.е. когда( ) м, Г(а.3 .где 7 - временной сдвиг между исследуемыми найряжениямиПи Б;б - среднекнадратическое отклонение фронтов сигнала формирователей 1 и 2 первого (опорного) и второго (измерительного) каналов от своего среднего значения, совпадающего с моментом перехода сигналов У и П через нулевой уровень;Тр " время срабатывания триггеров 4;б) работа при измерении критических Фазовых сдвигов,. т.е. когда 7(6,; Тцб . Рассмотрим первый случай 1б7 ,рд . Опорный гармонический канал У поступает на входы формирователей 1-1-1-И,в которых из него формируются прямоугольные напряжения. Фронты прямоугольных напряжений с большей и меньшей точностьюсоответствуют моментам перехода через нуль сигнала. Ближайший за передним (задним) Фронтом прямоугольного напряжения импульс с выхода генератора 3 квантующих импульсов вкаждом формирователе проходит на его)выход и переводит соответствующийтриггер 4-1-4-И в единичное состояние. Считаем, что 6 То, гдс Т - пе 15риод кнантующих импульсов так кактолько н этом случае имеет смыслснижение погрешности измерения изза флюктуаций фронтов сигнала Формирователя. При достаточной развязкеформирователей можно считать эти2 О флюктуации не коррелированными,поэтому н промежутке времени междусрабатыванием первой группы триггеров4 и срабатыванием всех И триггеров 4число сработавшнх триггеров являетсяслучайной величиной. Пусть н первыймомент времени н единичное состояниеперешла часть И триггеров 4. Комбинационный дешифратор 5 анализируетвыходы всех триггеров 4-1-4-И и преобразует число И в двоичный код,который с выхода комбинационного дешифратора 5 поступает на первые входы сумматора б, Теперь по каждомуимпульсу генератора 3 квантующих импульсов к содержимому регистра 7 памяти прибавляется число И . Сумматорчсуььирует числа по модулю И и сиг)нал переноса с выхода Р поступает насчетный вход счетчика 10 с индикацией. Так будет продолжаться до сраба 4 О тывания следующей группы триггеров 4.Допустим, что до этого момента генератор 3 выработал п квантующих1импульсов. Тогда число, зарегистрированное в регистре 7 памяти и всчетчике 10 с индикацией равно И, ПЕсли обозначить И 1 числотриггеров4, находящихся в единичном состоянии после срабатывания второй группы триггеров 4, а п- число квантующих импульсов, выработанных генера-.тором 3 с момента времени срабатывания второй группы триггеров 4 до момента времени срабатывания третьейгруппы триггеров 4, то число зарегистрированное в регистрепамяти исчетчике 10, будет И и +Ип . Очевидно, что общее число, зарегистрированное в регистре 7 и счетчике 10на момент срабатывания всех триггеров 4, можно выразить60кЕИ и,1 1 где к - число групп одновременносработавших триггеров 4. После перехода в единичное состояние всех И. где 1)50 55 60 б 5 триггеров 4, на выходе комбинационного дешифратора устанавливаетсядвоичный код числа И, который по каждому импульсу генератора 3 квантующих импульсов суммируется с содержимым регистра 7 памяти по модулю Ии., сигнал переноса с выхода Р сумматора б фиксируется счетчиком 10.Следовательно, общее зарегистрированное число выражается где и - число импульсов, выработанных генератором 3 эа время нахождения всех И триггеров 4 в единичном состоянии.Входной сигнал измеряемого канала Оо поступает на входы Формирователей 2-1-2-М, которые, как и в случае опорного канала, формируют прямоугольное напряжение из гармонического сигнала У, и ближайшие, следующие эа передним (задним) фронтом прямоугольных сигналов, импульсы генератора, 3 квантующих импульсов проходят на выходы формирователей 2 измерительного канала и перебрасывают триггеры 4 в нулевое состояние. Поскольку фронты прямоугольного напряжения формирователей флюктуируют вокруг своего среднего значения, и, учитывая, что бТо, то переход триггеров 4 в нулевое состояние в Интервале времени от обнуления пер" Вой.группы триггеров 4 до установки. и 01" всех Б триггеров 4 представЛяет из себя случайный процесс. Поэтому по аналогии с работой опорноГо канала можно написать число, зарегистрированное в регистре 7 и в счетчике 10 за интервал времени от перехода в нулевое состояние первой еруппы триггеров 4 до обнуления всех И триггеров 4 в следующем виде где И - число триггеров 4 оставУшихся в единичном состоянии после обнуления 3-ойгруппы триггеров 4;и - число импульсов выработанВных генератором 3 квантующих импульсов в промежуткемежду обнулениями 3-ой и(З+1)-ой группами триггеров 4;щ - число групп одновременнообнуленных триггеров.После перехода в нулевое состояние всех Н триггеров 4 на первые входы сумматора б с выходов комбинационного дешифратора 5 подается код 0 и увеличение содержимого регистра 7 памяти счетчика 10 по импульсам генератора 3 прекращается, При этом в регистре 7 и счетчике 10 Фиксируется суммарное число п,общ. ф пропорциональное измеряемому фазовому сдвигу. 5б(.п,общ,. 1 о.) 1) Среднее значение измеренного интервала Тср можно выразитьПроанализируем первое слагаемоев выражении (2), найдя предел, по которому оно стремится при М-со и ТоО. Очевидно, что в этом случае произведение п 1 То переходит в непрерывную случайную величину 1, характеризующую Флюктуации фронтов прямоугольного напряжения формирователей1, отношение - 1- превращается в плотность вероятности случайной величины 1 ю (й, а сумма заменяется интегралом, т.е.,Следовагельно, при Т 0 и И.ф д первое слагаемое в (2) равно математическбму ожиданию случайной величиНы 1,)М 1,равному Со-моменту перехода гармонического сигнала Б через нулевой уровень, а при конечных Б и Т дает несмещенную состоятельную оценку МС),Аналогичные рассуждения для третьего слагаемого в выражении (2) дает случайная величина,характеризующая Флюктуации Фронтов прямоугольного напряженияформирователей 2 измерительного канала; ы (1) ) - плотность вероятностислучайной величины; М 1,) ) - математическое ожидание;1омомент перехода гармонического сигналачерез нулевой уровень. Очевидно, чтот"сфобм. оа при конечных Т и Идр является несмещенной состоятельной оценкой измеряемой величины Г .Таким образом, в цифровом Фазометре осуществляется измерение фазового сдвига как бы в Б независимых каналах с усреднением результата в одном счетчике. Пусть 6дисперсия Флюктуаций фронтов прямоугольного напряжения формирователейи 2, тогда при измерении интервала Т при использовании известных устройств, среднеквадратическая ошибка измерения эа один период исследуемого сигнала выражается(б)Использование предлагаемого устройства дает среднеквадратическую ошибку измерения(7)Сравнивая выражения (6) и (7)видно, что применение настоящегоустройства позволяет снизить среднеквадратическую ошибку измерения Фазового сдвига, вызванную Флюктуациями фронтов прямоугольных напряжений формирователей, в 4 М раэ.Время измерения 9 задается с помощью блока 9 управления, который в конце каждого цикла измерения обнуляет регистр 7 и счетчик 10, и измерительный цикл повторяется.При измерении критических фазовыхсдвигов, т,е. Фазовых сдвигов, близких в 0 или к 2 3 Г, возможны случаи, когда после окончания формированияпередних (задних) фронтов прямоуголь"ного напряжения всеми Формирователя" ми 2, часть триггеров 4 окажется в единичном состоянии. В этом случае по сигналу с выхода элемент совпадения 8, который появляется с оконча" нием формирбвания передних (задних) Фронтов прямоугольного напряжения всеми формирователями 2, блок 9 управления анализирует код на выходах комбинационного дешифратора 5, Есличисло триггеров 4, находящихся в единичном состоянии, меньше Б/2, то блок 9 управления на своем третьем выходе вырабатывает сигнал, обнуляющий все триггеры 4, и считается, что измеряемый фазовый сдвиг к О, и числовое значение его зарегистрировано в регистре 7 и счетчике 10. Если число триггеров 4, находящихся в единичном состоянии больше либо равно Н/2, то блок управления 9 вырабатывает на своем втором выходе сигнал, устанавливающий все триггеры 4 в единичное состояние, и считается, что иэмеряемьй фазовый сдвиг близок к 2 У , Обнуление триггеров 450 55 60 Формула изобретения Цифровой Фазометр, содержащийтриггер,. генератор квантующих импульсов, элемент совпадения, счетчик с индикацией и формирователь в каждом из двух каналов, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью говышенияточности, он снабжен Итриггерами, комбинационным дешифратором, сумматором, регистром памяти, блоком управления и в каждом иэ каналов ЫФормирователями, причем входы формирователей каждого иэ каналов объединены, первые входы каждого из формирователей второго канала соединены соответственно с первыми установочными входами каждого из И тригосуществляется фронтами следующегопериода прямоугольного напряженияформирователей 2 измерительного канала. При этом, для надежного обнуления триггеров 4, с четвертого выхода блока 9 управления на управляющие входы Формирователей 1 подается сигнал, запрещающий проход импульсов генератора 3 квантующих импульсов на выход Формирователей 2, После обнуления триггеров 4 результатизмерения фиксируется в регистре 7и счетчике 10, а сигнал, запрещающий работу формирователей 1, снимается и устройство готово к следующему измерению. Синхронизация рабо ты блока 9 управления, формирователей 1 и 2 опорного и измерительногоканалов, регистра 7 памяти и счетчика 10 с индикацией осуществляетсяимпульсами генератора 3.Таким образом, применение предлагаемого устройства позволяет снизитьошибку измерения фазовых сдвиговвследствие Флюктуаций Фронтов прямоугольного напряжения формирователей,что достигается введением дополнительных формирователей и триггеров,комбинационного дешифратора, сумматора, регистра памяти и блока управления, осуществляющих многоканальное.независимое измерение фазового сдви- ЗО га при усрецнении результата в одномсчетчике.При реализации предлагаемого уст)ройства в качестве усилителей-ограничителей Формирователей испольэоваЗ 5 лись микросхемы серии 140 (140 УД 1),Цифровая часть строилась на,микросхемах серии 133. Каждый канал со-.держит по 4 Формирователя, т.е.И=4.Фазовый сдвиг измерялся между дву мя гармоническими сигналами, частотой 5 кГц. Частота сигнала генератора кнантующих импульсов 10 МГц(Т = 0,1 мкс) . Эксперимент показалуменьшение среднеквадратической ошибки при многоканальном измерении посравнению с одноканальным в 2 раза,Составитель М. Техред А. Савка р Е, Рошк ненкова ак Тираж 735 Государственног ам изобретений а, Ж, РаушскПодписнокомитета СССРоткрытийнаб., д. 4/5 11244 67 ВНИИПИпо дел13035, Л 1 оскв оектная, 4 фПатен Ужгород Филиал П геров,выходы каждого из И формирова.телей первого канала соединены соответственно со вторыми установленными входами каждого из й триггеров, первой ивторой выходы триггеров подсоединены квходам комбинационного дешифратора, выход которого соединен с кодовымивходами блока управления и с первымивходами сумматора, выходы которогосоединены с входами регистра памяти,вход синхронизации которого соединен с входами синхронизации всехформирователей, .с входом синхронизации блока управления и с выходом генератора квантующих импульсов, а выходы соединены с вторыми входами сумматора и с кодовыми входами счетчика с индикацией, счетный вход которого соединен с выходом переноса сумматора, а вход сброса - с входом сброса регистра памяти и с первым выходом блока управления, второй и третий выходы которого соединены с соответствующими третьими,и четвертыми установочными входами всех триггеров, четвертый выход - с управляющими входами И формирователей первого канала, а управляющий вход - с выходом элемента совпадения, входы которого соединены соответственно с вторыми выходами формирователей второго канала.Источники инФормации, принятые во внимание при экспертизе1. Смирнов П.Т. Цифровые азометры. фЭнергия, 1974, с.33.2. Авторское свидетельство СССР Р 473120, кл. С 01 й 25/00, 1976.