Цифровой фазометр

СООЗ СОВЕТСКИХ СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК зцд С 01 К 25/О Ен ТЕЛ ЬСТВУ Н АВТОРСИ ОСУДАРСТВЕННИЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИ САНИЕ ИЗ(56) 1, Авторское свидетельство СССРУ 617747, кл. С 01 К 25/08 198,2. Патент США М 3512085,кл. С 01 К 25/00, 1970,(54)(57) ЦИФРОВОЙ ФАЗОИЕТР, содержащий первый и второй формирователи,управляемый генератор, блок определения числа циклов, счетчик импульсов, реверсивный счетчик импульсов,первый регистр памяти и линию задержки,:причем первый вход фазометра через первый формирователь подключенк входу управляемого генератора,. первому входу блока определения числациклов и входу установки нуля счетчика импульсов, а второй вход фазометра через второй формировательподключен к второму входу блока определения числа циклов и через линию задержки к входу записй в старшие разряды первого регистра памяти,входы которого подключены к выходамсчетчика импульсов и реверсивногосчетчика импульсов, выход управляемого генератора соединен с входомсчетчика импульсов и третьим входом блока определения числа циклов,выходы которого подключены к входамреверсивного счетчика импульсов,о т л и ч а ю щ и й с я тем,.что,с целью повышения его точности, онснабжен арифметико-логическим узлом,вторым и третьим регистрами памятицифровым индикатором; блоком управ-ЯОИ 28187 ления, триггером знака, инвертороми блоком установки нуля, причем выходы арифметико-логического узлйчерез второй регистр памяти подключены к входам третьего регистра памяти, цифрового индикатора и вторымвходам арифметико-логического узла, .первые входы которого соединены содноименными выходами первого и тре-тьего регистров памяти, кроме того,старший разряд первого и третьегорегистров памяти соединены параллельно со старшими разрядами первоговхода арифметико-логического узла,последний разряд второго регистрапамяти через триггер знака подключен к входам знаковых разрядов третьего регистра памяти, цифрового индикатора и первому входу блока уп-равления, второй вход которого соединен с выходом управляемого генератора, первые выходы блока управле-.ния соединены соответственно с входами управления арифметико-логического узла, второй .и третий выходы -соответственно с входами записи иуправления сдвигом второго регистрапамяти, четвертый, пятый и шестой.выходы - соответственно с входамизаписи триггера знака, цифрового индикатора и третьего регистра памяти, выход второго формирователя подключен к входам управления и записив младшие разряды первого регистрапамяти непосредственно; а к входамуправления третьего регистра памяти - через инвертор, входы установки нуля реверсивного счетчика импульсов и первого, второго и .третьегорегистров памяти подключены к выходу блока установки нуля7 . 2ризующий целое число циклов. Коды Фазового сдвига и числа циклов записываются в регистры памяти, затем с помощью цифроаналоговых преобразователей преобразуются в постоянное напряжение, соответствующее значению измеряемого фазового сдвига и числа оборотов 121.Недостатком известного фаэометра является низкая точность измерения, обусловленная флюктуациями нуль- переходов входных сигналов, вызванными действием шумов и помех, кроме того, результат измерения представляется аналоговой величиной - напряжением, что затрудняет его использование .совместно со средствами вычислительной техники.Цель изобретения - повышение точности измерения кумулятивных фазовых сдвиговПоставленная цель достигаетсятем, что цифровой фазометр, содержащий первый и второй формирователи, управляемый генератор, блок определения числа циклов, счетчик импуль/ сов, реверсивный счетчик импульсов, первый регистр памяти и линию,задержки, причем первый вход фазометра через первый формирователь подключен к входу управляемого:генератора, первому входу блока определения числа циклов я входу установки нуля счет" чика импульсов, а второй вход фаэометра через второй формирователь подключен к .второму входу блока определения числа циклов и через линяю задержки к.входу записи в старшие разряды первого регистра памяти, входы которого подключены с выходам счетчика импульсов и реверсивного счетчика импульсов, выход управляемого генератора соединен с входом счетчика импульсов и третьим входом блока определения числа циклов, выходы которого подключены к входам реверсивного счетчика импульсов, дополнительно снабжен арифметико-логическим.узлом, вторым и третьим регистрами памяти, цифровым индикатором, блоком управления, триггером знака, инвертдром и блоком установки нуля, причем выходы арифметикологического узла через второй регистр памяти подключен к входам третьего .регистра памяти, цифрового индикатора и вторым входам арифметико-логического узла, первые входы которого соединены с одноименными выхода 1 12818Изобретение относится к фазоиэмерительной технике и может быть использовано для измерения сдвигов впределах, превышающих ЗбО.Известен цифровой фазометр дляизмерения больших фазовых сдвигов,содержащий входные формирователи,ключи, генератор тактовых импульсов,делители, реверсивные счетчики, бинарный квантователь фазы, блок равнозначности, схему ИЛИ и инвертор 1.13Измерение в данном устройствеосуществляется за один, период иссле-.дуемых согналов по их нуль-переходам, поэтому оно имеет низкую точность измерения при наличии шумов вовходных сигналах, вызывающих флюктуации нуль-переходов.Наиболее близким по техническойсущности к предлагаемому являетсяизмеряющий фаэьвые сдвиги, превышающие 360 о, кумулятивный фаэометр, который содержит первый ивторой формирователи, генератор,схему определения числа циклов,счетчик импульсов,.реверсивный счетчик импульсов, регистр памяти, линию задержки, два цифроаналоговыхпреобразователя и сумматор, причемпервый вход фазометра через первыйформирователь подключен к первомувходу схемы определения числа циклов, и входу установки нуля счетчика импульсов,. а второй вход фазометрачерез второй формирователь подключен к второму входу схемы опреде 35.ления числа циклов и через линиюзадержки к входу записи регистра йамяти входы которого подключены квыходам счетчика импульсов и реверсивного счетчика импульсов; при этом40выход генератора соединен с входомсчетчика импульсов и третьим входом схемы определения числа циклов,выходы которой подключены к входуреверсивного счетчика импульсов,45входы цифроаналоговых преобразователей соединены со старшими и младшими разрядами регистра памяти, авыходы - с входами сумматора, выходкоторого подключен к выходу фазометра. В этом фазометре в каждомпериоде входного сигнала производится преобразование фазового сдвига входных сигналов в цифровой код,получаемый в счетчике фазового сдвига. При изменении фазового сдвига более чем на 2 Э изменяется код реверсивного счетчика импульсов, характе3 1128ми первого и третьего регистров па"мяти, кроме того, старший разряд первого. и третьего регистров памяти соединен со старшими. разрядами первоговхода арифметико-логического узла5последний разряд второго регистрапамяти через триггер знака подключен к входам знаковых разрядов третьего регистра памяти, цифрового индикатора и первому входу блока управления, второй вход которого соединен с выходом управляемого генератора, первые выходы блока управлениясоединены соответственно с входамиуправления арифметико-логического15узла, второй и третий выходы - соответственно с,входом записи и управления сдвигом второго регистра памяти, четвертый, пятый и шестой выходы - соответственно с входами записи триггера знака, цифрового инЮдикатора и третьего регистра памяти, выход второго формирователя подключен к входам управления и записив младшие разряды первого регистра25намяти непосредственно, а к входамуправления третьего регистра памяти - через иивертор, входы установки нуля реверсивного счетчика импульсов и первого, второго и третье:го регистров памяти подключены к вы- ЗОходу блока установки нуля,На фиг;1 представлена функциональная схема фазометра; на фиг.2 - зпюры напряжений, поясняющие работу фазометра. 35Цифровой фазометр содержит формирователи 1 и 2, входы которых соединены соответственно.с входами 3и 4 фазометра, блок 5 определениячисла циклов (оборотов ), первый и 40второй входы которого соединены соответственно с выходами формирователей.1 и 2,и выходы - с входами реверсивного счетчика 6 импульсов, управляемый генератор 7 тактовых импуль.сов, вход которого подключен к выхо-,ду первого формирователя 1, а выход, к входу синхронизации блока определения числа циклов и счетному входу счетчика 8 импульсов, вход установки.нуля которого подсоединен квыходу первого формирователя 1, первый регистр 9 памяти, входы, младших,разрядов которого подключены к выходам счетчика,8 входы старших раэрядов - к выходам реверсивного счетчика 6, вход записи в младшие разряды - к выходу второго формирова187 4 теля 2, а вход записи в старшие разряды подключен к выходу второго формирователя 2 через линию 1 О за- держки, арифметико-логический узел 11, первые входы которого соединены с соответствующими выходами второго регистра 12 памяти, вторые входы - с соответствующими выходами ре- гистров 9 и 13 памяти, причем старший разряд регистров 9 и 13 соединен па раллельно с вторымн входами. старших разрядов узла 11, выходы которого соединены с соответствующими входами регистра 12, управляющие входы узла 11 соединены с первыми выходами 14. блока 1 15 управления, выходы регистра 12 соединены с соответствующими входами регистра 1 З.цифрового индикатора 16. Выход последнего, старшего, разряда регистра 12 соединен с входом триггера 17 знака, вход синхронизации подключен к четвертому выходу 18 блока 15, а выходк соответствующим входам регистра 13; индикатора 16 .и первым входам 19 блока 15. Выходы записи и управления сдвигом регистра 12 соединены соответственно с вторым и третьим выходами 20 и 21 блока 15, вход сйнхронизации индикатора 16 йвход синхронизации регистра 13 соединены соответственно с пятым и шестым выходами 22 и 23 блока 15, второй вход 24 которого соединен с выходом управ- ляемого генератора 7. Выход форми- рователя 2 подключен к входу. управ" ления регистра 9 непосредственно, а к входу управления 13 - через инвертор 25, входы установки нуля счетчика 6 и регистров 9, 12 и 13 подипочены к выходу блока 26 установки нуля.Устройство осуществляет измерение нескольких значений фазовых сдвигов, с учетом их знаков,усредняет эти значения и корректрирует результат с учетом фазового сдвига . ЬМо, полученного при установке нудя. Ре-. зультат измерения фазового сдвига ф можно представить формулой21 ф =+ ---Х 2 М+ дй Ай Ц360 где --- дискретность измерения 2 щ. фазового сдвига, определяемая разрядностью счетчика 8; .в - число разрядов счетчика 8;щие значению измеряемого фазового сдвига. Коды дй переписываются в младшие разряды регистра 9 передними фронтами импульсов с выхода формирователя 2, Таким образом, в каждом такте измерения в регистре 9 получают коды, соответствующие зна,:чениям измеряемого фазового сдвига, числа циклов и знака. Эти коды поступают на входы арифметико-логического узла 11 для последующих преобраэований.Арифметико-логический узел 11 осуществляет накопление результатов измерения 2 М, + ЬК с учетом знака, проебразование полученного кода и вычитание значения начально" ного. фазового сдвига " , выраженного кодом дИ , Для этого на управляющие входы узла 11 поступает с выхода 14 блока 15 группа управляющих сигналов. Например, в интеррует группу управляющих сигналов,под воздействием которой в узле 11 выполняется сложение кода фазового сдвига, измеренного в последнем такте, с кодом результатов предыдущих измерений. При этом выходы регистра 9 под воздействием сигнала (фиг.2 ъ) на его управляющем входе подключены к первым входам узла 11.4 4,2 -4, 1. - 2 х+ блок 15 на выходе 14 форпод воздействием которых узел 1 выполняет вычитание кода ай , записанного в регистре 3, из результата измерения. При этом выходы регистра 9 отключаются, а выходы регистра 13 под воздействием управляющего сигнала на его входе подключаются к первым входам узла 11. Полученные на выходе узла 11 коды регистре 12.при поступлении очередного импульса на вход записи этого регистра с выхода 20 блока 15 (фиг.2 Ц . сдвига в отрицательную область илиизменении Фазового сдвига от 0 до-2 ЛМ в счетчиках 8 и 6 результат измерения представляется дополнительным кодом, поэтому алгебраическоесложение результатов измерения каж 3 1128187 6И - код числа циклов, определяемый выходным кодомреверсивного счетчика 6;2 - количество усредняемыхрезультатов измеренияк " 1,2,.Устройство работает следующим образом.Гармонические сигналы, фазовыйсдвиг между которым подлежит измерению (фиг.2 й, б ), поступают на входы 3 и 4 фаэометра Формирователи1 и 2 формируют иэ входных сигналовпрямоугольные импульсы (фиг.2 ви ъ,фронты которых соетветствуютйх нульпереходам. Блок 5 определения числа;циклов формирует на одном из выходовимпульс при изменении фазового сдвига между сигналами более чем на 360оЭтот импульс увеличивает или уменьшает коц М; счетчика 6 на единицу.При измерении .Фазовых сдвигов в пределах 360 й, где Мщ - макси- валы времени 1 -4 мальное измеряемое число циклов, 1 р -Ц блок 15. на выходе 14 формиобъем реверсивного счетчика следует 25выбирать равным 2 1,п,х , при этомстарший разряд счетчика 6 являетсязнаковым, причем положительному знаку фазового сдвига соответствует логический нуль на выходе знаковогоЗОразряда, а отрицательному знакулогическая .единица, В приведенной нафиг.1. схеме фаэометра принято й,х =23С выхода реверсивного счетчика 6 код84 и код знака передними фронтамиимпульсов с выхода формирователя 2, З 5 .мирует группу управляющих сигналов, задержанными: линией 10 задержки навремя срабатывания блока 5 определения числа циклов и реверсивногосчетчика 6, переписываются в старшие разряды регистра 9Управляемый генератор 7 формируетпоследовательность импульсов частотойзч=2 вх (2)где Е - частота входных сигналов "5 эультата арифметических операцийехФФазометра. указанных выше, запоминаются в реЗти импульсы непрерывно поступают навход счетчика 8 фазового сдвига, емкость которого выбрана равной 21".Счетчик 8 устанавливается в нулевое О. При переходе .измеряемого фазового состояние передним фронтом импульсов формирователя 1 в моменты вре 1 5 Ь 42 хФЗ42+3 +2+42 К+1.( , ,: х, (фиг,2 г, соответствующйе Ф .передййм фронтам импульсов на выходе формирователя 2, в очетчике 8образуются коды .дИ соответствую7 1.1 8Объем арифметика"логического уз ла 11 и регистра 12 выбирают, учнты вая необходимое количество тактов,требуемых для усреднения результатов измерений, таким образом, чтобыне происходило переполнение арифметико-логического узла 11 и регистра12. В фаэометре, схема кторого иэо"бражена на фиг.1, количество тактовизмерения выбрано 2 , следовательно, Очисло разрядов узла 11 и регистра 12 . должно быть ш+и+1 с двоичных разрядов.После выполнения необходимого количества тактов измерения за интервал времениТ в регистре 12 образуется код усредненного результатаизмерения. Этот результат представляется прямым кодом, если знак ре- "зультата положительный, и допол-нительным кодом,если знак от;рицательный. Для того, чтобы окончательный результат измерения представить в прямом коде, независимо отзнака, выполняется преобразованиедополнительного кода в прямой, если знак результата отрицательный,Для этого знак результата измерениязапоминается в триггере 17 (фнг.2 ж)при переходе импульса записи с выхода18: блока 5 фиг,2 в .На фиг.2 ж принято,30что знак результата измерения отри цательный.В интервале времени+2 +Ф 4 2на выходе 14 блока 5 формируетсягруппа сигналов управления, соответствующая операции преобразования до- З 5полиительного кода в прямой, Подвоздействием этих сигналов узел 11преобразует дополнительный код результата измерения, записанного врегистре 12, в прямой. Полученныйпрямой код записывается в регистр 12.Таким образом, в регистре 12 получают прямой код .результата измерения, независимо от знака, После этого в интервал времени, например,1+%+-1+ +1 О выполняется деление результата измерений на число 2 , длячего на вход управления сдвигом ре"гистра 12 поступает сигнал управления сдвигом Фиг,2 з)с выхода .21 блока 15. Одновременно на вход записирегистра 12 поступает серия из к импульсов с выхода 20 блока 15 (фиг.2 д),которая сдвигает результат измеренияна,% разрядов влево, Таким образом, 55в разрядах от 1 до в+ирегистра 12 187 8.младшие разряды ) получают прямой двоичный код окончательного усредненного результата измерений числа циклов и Фазового сдвига, а на выходе триггера 17 - код знака этого результата измерения. Код результата измерения фиксируетсяф цифровым индикатором 16 при поступлении на епо вход записи сигнала с выхода 22 блока 15 (Аиг 2.и). Цифровой индикатор 16 может содержать входные регистрйи преобразователь двоичного кода в, двоично-десятичный и устройство отображения.Для исключения аддитивной погреш-.ности, обусловленной неидентичностью каналов, и для обеспечения возможности измерения приращений фазового сдвига в предлагаемом фазометре предусмотрена возможноств коррекции результата измерения, которая осуществляется следующим образом. В на-. чальный момент времени блоком 26 установки нуля реверсивный счетчик 6 и регистры 9;)2 и 13 устанавливаются в исходное нулевое состояние, Затем выполняется измерение началь- ного фазового сдвига ч , как описано выше, в результате чего, на 1выходе регистра 12 формируется код ай, усредненного результата измере- ния Ч .Этот код по сигналу с выхо-да 23 блока 15 записывается в регистр 13. Код ьй вычитается в каждом так-. .те последующих измерений, как описа- .но выше. Таким образом выполняется.- коррекция аддитивной погрешности ре-, зультата измерения фазового. сдвига.В фаэометре возможна достаточно простая регулировка количества усреднен)ых тактов измерения, т.е. регулировка числа Ь, Для этого блок 5 может содержать переключатель количества усредняемых тактов, который изменяет количество импульсов, сдвигающих информацию в регистре 12.Таким образом, использование изобретения позволит существенно.повысить точность измерения фазовых . сдвигов как .за счет усреднения результатов нескольких тактов измерений, так и. за счет коррекции резуль" татов измерения. Предлагаемый фазометр позволяет измерять фаэовые сдвиги с высокой, точностью при наличии асинхронных помех и шумов во входных сигналах.