Устройство для отображения векторных диаграмм на экране элт

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 09 6 1/12 5 г йг П ЗОБРЕТЕНИ ТОРСНО СВИДЕ ва, го вхо сое аль ам рог тельство СССР/18, 1980,ельство СССР24,прототип) . по за кл. С ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(71) Московский институт электронной техники(54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТОБРАЖЕНИЯ ВЕКТОРНЫХ ДИАГРАММ НА ЭКРАНЕ ЭЛТ, содержащее два амплитудных детектора, вход первого из которых является первым входом устройства, первый измеритель сдвига фаз, входы которого соединены с входами амплитудных детек торой, а выход. - с входом первого синусно-косинусного преобразователя, выходы которого соединены с первыми входами первбго и второго умножителей, вторые входы которых соединены" с выходом первого коммутатора, элемент сравнения, выход которого соединен с управляющим входом первого коммутатора, второй коммутатор, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения области применения устройства путем отображения амплитудно-фазовых соотношений информационных сигналов в виде топографической диаграмьыг оно содержит дифференциальный усилитель, третий амплитудный детектор, второй измеритель сдвига фаз, четыре коммутатора, аналого-цифровой преобразователь, третий и четвертый умножители, второй синусно-косинусный преобразователь, генератор пилообразного напряжения, блок выделения отрицательного фронта, триггер управления и два суммирующих усилителя, причем входы дифференциального усилителя являются вторым и третьим ьходами устройст.801109786 А а выход соединен с входом второ. амплитудного детектора, первый д второго измерителя сдвига фаэ динен с первым входом дифференциного усилителя и входом третьего плитудного детектора, выход котоо соединен с первыми входами третьего и четвертого умножителей, вторые входы которых соединены с выхЬдами второго синусно-косинусного преобразователя, вход которого соединен с выходом второго измерителя сдвига фаз, второй вход которого соедннен с входом первого амплитудного детектора и вторым входом первого измерителя сдвига фаз, выходы первого и второго амплитудных детекторов соединены с входами аналого-цифрового преобразователя и с соответствующими входами второго коммутатора, выход которого соединен с первым входом элемента сравнения, первый вход блока индикации соединен с выходоманалого-цифрового преобразователя, второй вход - с выходом первого измерителя сдвига фаз, выход генератора пилообразного напряжения соединен с вторым входом элемента сравнения, с первым входом первого коммутатора и через блок выделения отрицательного фронта - с входом триггера управления, выход которого соединен с управляющими входами второго, третьего, четвертого, пятого и шестого коммутаторов, выходы первого, второго, третьего и,четвертого умножителей соединены с первыми входами третьего, четвертого, пятого и шестого коммутаторов соответственно, вторые входы первого, четвертого, пятого и шестого коммутаторов объединены, второй вход третьего коммутатора соединен с .выходом первого коммутатора, входы первого суммирующего усилителя соединены с выходами третьего и пятого коммутаторов, а входы второго сумми рующего усилителя - с выходами чет1109 786 вертого и шестого коммутаторов, выходы суммирующих усилителей являютИзобретение относится к средствам обучения и наглядным пособиям для учебных целей и предназначено для отображения на экране осциллограФа в виде векторной топографической диаграммы комплексных амплитуд Пои, и Йс синусоидальных напряжений О, 1 Одо 5 пю и Б 1 = Ос 51 п (ш + Ы)Векторные диаграммй являются наиболее удобной для учебных целей формой представления напряжений в цепях с синусоидальными источниками энергии и позволяют наглядно представить амплитудно-Фазовые соотношения между напряжениями, проиллюстрировать выполнение законов Кирхгофа.Известны приборы для измерения амплитудных и дейстнующих значений си. - нусоидальных сигналов и приборы для измерения угла сдвига фаз между двумя синусоидальными напряжениями. Измеренные с помощью этих приборов амплитуды и Фазы напряжений позволяют построить векторные диаграммы (13Однако процесс построения является трудоемким и требует использования чертежных принадлежностей. Наиболее близким к изобретению по технической сущности янляется устройстно для отображения векторных диаграмм на экране ЭЛТ, содержащее измеритель амплитуды и измеритель сдвига Фаз, первые и вторые входы и выходы которых являются соответственно первыми и вторыми входами и выходами устройстна, элемент сравнения, выхбд которого соединен с первым входом измерителя амплитуды, генератор импульсов, переключатель, блок выделения модуля, вход которого соединен с вторым входом измерителя сдвига фаз, сумматор, первый вход которого соединен с выходом измерителя сднига фаз, счетчик, входы которого соедийены с выходами генератора импульсов и переключателя, а выход - с вторым входом сумматора, первый коммутатор, информационные нходы которого соединены с выходами сумматора и счетчика, а управляющий вход - с выходом элемента сравнения, синусно-косинусный преобразователь, вход которого соединен с выходом первого коммутатора, второй коммутатор, информационные входы которого соединены соответственно с первым входом измерителя амплитуды и с выходом блока выделеся первым и вторым выходами устройства. ния модуля, а управляющий вход - свыходом элемента сравнения, два умножителя, первые входы которых соединены с выходом второго коммутатора,5 вторые входы - с выходами синуснокосинусного преобразователя, а выходыявляются соответственно третьим ичетвертым выходами устройства 23.Иэнестное устройство осуществляетО измерение угла сдвига фаз о( между синусоидальными напряжениями (аооэпю 1 и О 1 = 08 5 Ф (Ю 1 + Ы) ризмерение амйлитудных значений О, ии отображение на экране ЭЛТ век(5 тоРной диаграмм в полярной системекоординат. Таким образом, при отображении комплексной амплитуды О несвучитывается (условно принимается заноль) значение комплексного потенциала 6, что существенно ограничиваетего демонстрационные возможностиВ,частности, проверяя выполнение второго закона Кирхгофа, экспериментатору приходится контролировать на равенство нулю сумму векторов, выходящих иэ начала координат. При большомчисле векторов (практически более,четырех) реализация этого контролятрудоемка и требует дополнительныхграфических. построений,30Цель изобретения - расширение области применения устройства путемотображения амплитудно-фазовых соотношений информационных сигналов в виЗ 5 де топографической диаграммы.Укаэанная цель достигается тем,что в устройство для отображения векторных диаграмм на экране ЭЛТ, содержащее два амплитудных детектора, входпервого иэ которых является первымвходом устройства,первый измерительсдвига фаз, входы которого соединеныс входами амплитудных детекторов, авыход - свходом первого синусно-косинусного преобразователя выходы)5 которого соединены с первыми входамипервого и второго умножителей, вторыевходы которых соединены с выходомпервого коммутатора, элемент сравнения, выход которого соединен с уп 50 равляющим входом первого коммутатора,второй коммутатор, введены дифферен-циальный усилитель, третий амплитудный детектор, второй измеритель сдви"га фаз, четыре коммутатора, аналого 55 цифровой преобразователь, третий ичетвертый умножители, второй синуснокосинусный преобразователь, генера.тор пилообразного напряжения, блок выделения отрицательного фронта, триггер управлени я и два суммирующих усилителя, причем входы д фференци ьного усилителя явл, вся 5 вторым и третьим входами устройства, а выход соединен с входом второго амплитудного детектора, первый вход второго измерителя сдвига фаз соединен,с первым входом дифференциально 10 го усилителя и с входом третьего амплитудного детектора, выход которого соединен с первыми входами третьего и четвертого умножителей, вторые входы которых соединены с выхода ми второго синусно-косинусного преобразователя, вход которого соединен с выходом второго измерителя сдвига фаз, второй вход которого соединен с входом. первого амплитудного 20 детектора и вторым входом первого измерителя сдвига фаз, выходы первого и второго амПлитудных детекторов соединены с входами аналого-цифрового преобразователя и с соответствующими 75 входами второго коммутатора, выход которого соединен с первым входом элемента сравнения, первый вход блока индикации соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, второй вход - с выходом первого измерителя сдвига Фаз, выход генератора пилообразного напряжения соединен с вторым входом элемента сравнения, с первым входом первого коммутатора и через блок выделения отрицательного фроитас входомтриггера управления, выход которого соединен с управляющими вхо дами йторого, третьего, четвертого, пятого ишестого коммутаторов, выходы первого, второго, третьего и четвер того умножителей соединены с первыми входами третьего, четвертого, пятого и шестого коммутаторов соответственно, вторые входы первого, четвертого, пятого и шестого коммутаторов 45 объединены, второй вход третьего коммутатора соединен с выходом первого коммутатора, входы первого суммирующего усилителя соединены с выходами третьего и пятого коммутаторов, а 50 входы второго суммирующего усилителяс выходами четвертого и шестого ком-, мутаторов, выходы суммирующих усилителей являются первым и вторым выходами устройства.На фиг. 1 представлена структурная схема устройства для отображения векторных диаграмм на экране,ЭЛТ; на Фиг, 2 - временные диаграммй, иллюстрирующие Формирование выходных сигна" лов устройства; на Фиг. 3 - вектор ная топографическая диаграмма напряжений.Устройство для отображения векторных диаграмм на экране ЭЛТ содержит дифференциальный усилитель 1, входы 65которого подключены к источнику сигнального напряжения Псиг г. = Псв ")Выход усилителя 1 соедйнен с входомвторого амплитудного детектора 2 ипервым входом первого измерителя 3сдвига Фаз, выход которого связан свходом блока 4 индикации и входомпервого синусно-косинусного преобразователя 5, Второй вход усилителя 1подключен к первому входу второгоизмерителя 6 сдвига фаз, связанного,своим выходом с входом второго синусно-косинусного преобразователя 7, йк входу третьего амплитудного детектора 8, Вход первого амплитудногодетектора 9 соединен с источникомопорного напряжения П 1 = Пп(Ми вторыми входами первого 3 и второго б измерителей сдвига Фаз. Выходыамплитудных детекторов 2 и 9 соединены с соответствующими входами двухканального аналого-цифрового преобразователя 10, связанного своим выходом с входом блока 4 индикации, ис информационными входамивторогокоммутатора 11, выход которого подключен к первому входу элемента 12сравнения, Генератор 13 пилообразного напряжения подключен своим выходом: к второму входу элемента 12 сравнения, к первому информационномувходу .первого коммутатора 14 и черезблок 15 выделения отрицательногофронта к входу триггера 16 управле"ния, выход которого связан с управляющими входами коммутаторов 11, 17"20. Первые и вторые выходы синуснокосинусных преобразователей 5 и 7 сое.динены соответственно с первыми входами умножителей 21-24, а выходы последних с первыми входами коммутаторов 17-20. Выход элемента 12 связан.с управляющим входом первого коммутатора 14, выход которого подключенк вторым входам первого 21 и второго22 умножителейВыход амплитудногодетектора 8 соединен с вторыми входами третьего 23 и четвертого 24 умножителей. Входы первого суммирующегоусилителя 25 подключены соответственно к выходам коммутаторов 17 и 19, авходы второго суммирующего усилителя26 - к выходам коммутаторов 18 и 20,причем вторые входы коммутаторов 1720 объединены. Выходы усилителей 25 и26 соединены с входами Х и У осциллографа. Устройство осуществляет измерение угла сдвига фаз Ы между синусоидальными напряжениями П 1 О = У з 1 паи П (1 0- 5 о ЮиС +Ы ), измерение амплитудных значений Оои Оге и отображение на экране ЭЛТ комплексных амплитуд По и О в виде векторной топографической дйаграммя.Рассмотрим работу устройства приреализации перечисленных функций.1109786 При построении векторных топогра" фических диаграмм в исследуемой схеме выбирается базовый узел О, потенциал которого принимается за ноль, С этим узлом соединяется общая шина устройства. Измерения нотенцалов ос тальных узлов производятся относительно базового. Отсчет фазовых сдвигов осуществляется относительно фазы по" тенциала произвольно с выбираемого узла а, т.е. М =ео, Напряжение 10 Ооос о а = Одо Бп юс называется опорным. Выделение величины О производится амплитудным детекаотобом 9. Сигнальное напряжение 0 (Ф = М - 1 = О,в ыо бас + Ы) снимается .15 между йекоторыми узлами с и в с помоаью диФференциального усилителя 1, а выделение его амплитуды Осв осуществляется амплитудным детектором 2, С помощью аналого-цифрового преоб разоватеня 10 величины О и Оов преобразуются в коды и индицируются блоком 4. Измеритель 3 сдвига фаз фиксирует Фазовый сдвиг Ы между сигнальным и опорным напряжениями. Для ото бражения вектора сигнального напряжения 0 в топографической форме необ" ходимо иметь координаты его начальной точки, т,е, комплексный потенциал фв-атее13 30 Измерение величин М и 6 осуществляется амплитудным детектором 8 и измерителем 6 фазового сдвига.Исходными данными для Формирова- З 5 ния изображения топографической диагРаммы являются Оо Осе и Ыф "е "ф Основой для получейия йесбходимых напряжений раэверток Ои О служит пилообразное напряжение е(с)(фиг.2 а) 40 вырабатываемое генератором 13, Импульс, генерируемый блоком 15 во время отрицательного фронта напряжения е(1), меняет состояние триггера 16 управления, который работает в счетном режиме и управляет очередностью формирования иэображений векторов ао и ОсеПри нулевом значении выхода 0 триг-. гера 16 формируются напряжения Б и Б для изображения вектора (Г при единичном - дЛя изображения вектора О о (фиг, 2 б),В этом случае напряжение на выхо"дах суммирующих усилителей 25 и 26имеют вид (фиг. 2 е,ж) 60 О при 0=0О при 0=1 се 1 Ь 19 20 Пилообразное напряжение е(С) элементом 12 сравнения сравнивается 55 с напряжением О, транслнруемым коммутатором 11. Коммутатор управляется сигналом Я с выхода триггера 16 по закону Выходной сигнал схемы сравнения,является управляющим для коммутатора д14, напряжение (фиг. 2 в) на выходекоторого определяется выражением е. Сигнал е (с) умножителями 21 и 22 умножается соответственно на соео( и 91 о о( , ВЫЧИСЛЯЕМЫМ СИНуСНО-КОСИНУС-. ным преобразователем 5, Следовательно, на выхсце умножетелей .21 и 22 Формируются напряжения: е р(1) сово( и ер(С) в 1 пЫ. Причем на основании формулй (1) и (2) при (1 = 0 амплитуда е равна О , а при 0 = 1 - ОУмножители 23 и 24 умножают напряжение Че с выхода амплитудного детектора 8 йа вычисляемые синусно-косинусным преобразователем 7 тригонометрические функции сов р и в 1 пв соответственно. Таким образом, умножители 23 и 24 осуществляют преобразование координат начальной точки вектора О иэ полярной системы в прясемоугольную (фиг, 2 г, д)( е ю в) ъ (У сов фу е в 1 пв) Коммутаторы 17-20 переключаются сигналом с выхода триггера 16 управления: при 0 = 1 коммутаторы пропускают на выходи сигналы с первых входов, а при Я = 0 - сигналы с вторых входов. Следовательно, в интервале единичного состояния триггера 16 на выходах коммутаторов 17-20 формируются напряжения011 = ЕР(с)СОВс;О = е (с) вхпо;1 е рР юО 2 о евп РБ= О, + О 1 = е (с)совЫ+Ч совр; О 9 = О + О = е (с)в 1 по(+ чев 1 п р, 18 2 о р Напряжения Ои О 9 подаются навходы Х и У .осцйллографа, так какпРи Я = 1 амплитУда ер(с) Равна Она экране ЭЛТ высвечивается вектор,начало которого смещено в точку(К сов е, Ч вп ф, модуль равен О ,а угол с осью ОХ составляет величинуЫ (фиг. 3) .При нулевом состоянии треггера 16на выходах коммутаторов 17-20 созда-.ется система напряженийВ этом случае напряжения на выходах суммирующих усилителей 25 и 26 имеют вид (Фиг. 2 е, ж)Поскольку при О = 0 амплитуда е (с)Р равна 0 на экране ЭЛТ создается иэображение выходящего из начала ко О ординат, горизонтально ориентированного вектора, модуль которого равен О (фиг, 3) .Таким образом, в течение нулевого полупериода сигнала Я на экране ЭЛТ 15 создается иэображение вектора О, .а в течение единичного полупериода - иэображение вектора О . Если частотд управляющего сигнала 0 превышает 20 Гц, глаз наблюдателя не воспринимает вре 20 менного разделения Формирования изображений.В каждом полупериоде сигнала О выполняется второе соотношение систе мы (2), так как при правильном выбо ре предела измерений амплитуды О и 0 не превосходят амплитуды пилообсвразного напряжения. С момента превышения сигналом е (с). величины Осв(.0 ) и до конца единичного (нуле-вого) йолупериода напряжения 0 и 0 сохраняют постоянные значения0= Ч соэв(О) р350 - Чв в-Р(0Следовательно начальные точки векторов О и О на отображаемой диаграмме отмечаются ярко светящимися точками. 40Подключив входы а и 0 устройства к одному иэ элеМентов исследуемой схемы и подавая на входы усилителя 1 последовательно напряжения со .всех остальных элементов, можно д 5 получить полную векторную топографи" ческую диаграмму. Иллюстрация выполнения второго закона Кирхгофа с помощью векторнойтопографической диаграммы отличается повышенной наглядностью: векторанапряжений элементов схемы, образующих контур, составляют замкнутый многоугольник, Так как последовательностьвекторов в многоугольнике однозначно соответствует последовательностиэлементов контура, векторная топографическая диаграмма отражает структу"ру исследуемой схемы,Изготовлен макетный образец устройства для отображения векторных диаграмм на экране ЭЛТ. Макет позволяет в наглядной Форме представить амплитудно-фазовые соотношения в линейных цепях переменного тока, в 2-3 раза сокращает время выполнения лабо"раторных работ, исключает чертежныеработы при построении векторных диаграмм, Изготовленный макет устройст"ва имеет следующие основные характеристики: точность измерения амплитуднапряжений 1,5; точность измеренияФазового сдвига 1 ф 1 диапазон амплитуд исследуемых напряжений 1-300 В;частотный диапазон 30-10000 Гц потребляемая мощность 10 Вт (220 в/50 Гц)габариты 180 х 200 х 110 мм.1В качестве базового объекта выбрансерийно выпускаемый векторный вольт"метр ФК 2-12, предназначенный для измерения действующих значений синусоидальных напряжений и угла сдвигафаэ между ними.Технические преимущества изобретения заключаются в расширении классарешаемых задач за счет построениявекторных топографических диаграммнапряжений, уменьшения весогабаритных характеристик и потребляемойностицифровая форма представления результатов измерений в предлагаемомустройстве уменьшает погрешности счи"тывания, обеспечивает воэможность со"пряжения со средстваье цифровой вычислительной техники,1109 786 г. г,г Составитель В,фунтоваедактор Н,Бобкова Техред М.Надь КорректорМ,Ш Т илиал ППППатент, г, Ужгород оектна каз 6090/36 ВНИИПИ Г по дел 1130.35, Мосударстам изобросква,аж 447 Подписиенного комитета СССРтений и открытий