Устройство для определения знака разности фаз

(54) УСТРОЙ ЗНАКА РАЗН (57) Испольэо ка, определен синусоидальн бретения; уст ния, фор амплитудныи нения, блок ср Е ЕЛ хни дву изо- елесов, храИзвестны раз еления сдвига фа же определять и э акие устройства ельной сложность тва вс помогат лементов, исполь ичные устр, которые по ак разности характеризу ю иэ-за боль ельных ус зующихся д ойства опрезволяют такфаэ 1, 2, 3), ются значишого количе, тройс-,в и ля формирооссийской Федерации и и товарным знакам(56) Авторское свидетельство СССРЬЬ 1138760, кл. С 01 Р 25/00.Авторское свидетельство СССРМ 1503025, кл. С 01 Р 25/00.Авторское свидетельство СССРЬИ 503026. кл, С 01 Р 25/00.Авторское свидетельство СССРМ 1195275, кл. С 01 Р 25/00.Авторское свидетельство СССРМ 1167524, кл, С 01 Р 25/00. Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам определения знака разности фаэ двух синусоидальных сигналов напряжения или тока одной частоты, и предназначено для преимущественного использования в прецизионных устройствах, обеспечивающих с приемлемой точностью определение знака при малых или близких 90 и 180 абсолютных значениях этой разности в инфранизкочастотном диапазоне, при этом амплитуды сигналов могут значительно различаться между собой и меняться в широких предеСТ 80 ДЛЯ ОПР Д ЕОСТИ фАЗвание: измерительная т ие знака разности фаэ ых сигналов. Сущностьройство содержит блокмирователь импульдетектор, блок выборки авнения, 3 ил,вания дополнительных импульсов в определенные моменты времени, сравнения временных интервалов определениякоэффициентов модуляции, корреляции иосуществления других функциональныхпреобразований,Кроме значительных трудностей по из- ЬЭготовлению и настройке возникают погреш- С)ности определения знака разности фаз при Смалых сдвигах и близких 90 О, 180 их абсо- С)лютных значений, а также при малой ампли- утуде хотя бы одного из сигналов, частотакоторых лежит в инфранизкочастотном диапазоне,ю8 укаэанных условиях погрешность определения знака разности фаз становится ( )значительной из-за того, что на инфранизких частотах существенно уменьшается скорость изменения сигналов и времясрабатывания пороговых устройств становится неоднозначным, причем зта неодно 2000579эначность еще более возрастает при малых значениях амплитуд(или амплитуды хотя бы одного из сигналов). и разностях фаэ, кратных 90 О, при этом длительности формируемых дополнительных импульсов имеют значительный разброс, что в целом увеличивает погрешность измерения знака разности фаз.Известно устройство 4), более простое по конструкции, содержащее основные и дополнительные формирователи, два триггера и логические элементы И-НЕ.Устройство характеризуется недостаточной точностью измерения разности фаз при малых амплитудах сигналов в инфра- низкочастотном диапазоне при значениях сдвигов фаз, близких и кратных 90.Наиболее близким техническим решением к заявляемому по большему количеству сходных существенных признаков является устройство для определения знака разности фаэ 5. основанное на измерении фазового сдвига с помощью цифровых кодов, содержащее три формирователя импульсов, подключенных к трем входам устройства, два из которых - сигнальные, а третий - опорного сигнала, счетчик импульсов, генератор, регистры и блок сравнения подключенный к выходу устройства.Недостатком устройства является значительное возрастание погрешности измерения при малых амплитудах исследуемых сигналов в инфранизкочастотной области и особенно при значениях разности фаз между ними, близких к нулю или кратных 90".Этот недостаток свойственен всем устройствам порогового типа, принцип работы которых основан на сравнении исследуемого напряжения с порогом, и погрешность обусловлена неопределенностью времени срабатывания соответствующих блоков устройства при работе в укаэанных условиях,Целью изобретения является уменьшение погрешности определения знака разности фаэ в области инфрэнизких частот и абсолютных значениях разности фаз, близких к значениям, кратным 90 .оЦель достигается тем, что устройство для определения знака разности фаз. содержащее формирователь импульсов, подключенный к одному из сигнальных входов устройства, и блок сравнения, выход которого является выходом устройства, дополнительно содержит блок деления, амплитудный детектор и устройство выборки и хранения. причем два входа деления - один для сигнала-делимого, другой для сигнала - делителя - подключены к двум входам устройства и к входу сигнала-делителя подключен вход формирователя импульсов,5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 выход блока деления соединен с входами амплитудного детектора и устройства выборки и хранения, а выходы двух этих блоков подключены к двум входам блока сравнения, соответственно управляющие входы устройства выборки и хранения, амплитудного детектора и блока сравнения подключены, соответственно к первому, второму и третьему выходам формирователя импульсов, формирователь импульсов содержит фазовращатель, первый и второй компараторы и две логические схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и И-НЕ, причем фаэовращатель и первый компаратор подключены к сигнальному входу формирователя импульсов, выход фазовращателя соединен с входом второго компаратора, выход последнего подключен к первому выходу формирователя импульсов, к первому входу логической схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и к первому входу логической схемы. И - НЕ, выход первого компаратора подключен к второму входу логической схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, ее выход подключен к второму выходу формирователя импульсов и к второму входу логической схемы И - НЕ, выход которой подключен к третьему выходу формирователя импульсов.Функциональная схема устройства представлена на фиг. 1. функциональная схема одно из блоков устройства - формирователя импульсов - представлена на фиг, 2; временная диаграмма работы устройства представлена на фиг. 3,Устроиство содержит блок 1 деления, формирователь 2 импульсов. амплитудный детектор 3, устройство 4 выборки и хранения, блок 5 сравнения,Два входа блока 1 деления подключены к двум сигнальным входам устройства - отмечены сигналами Щт), Оу(т) на фиг. 1. Вход формирователя 2 импульсов подключен к сигнальному входу устройства, на который поступает сигнал-делитель Оу(т). Выход блока 1 деления подключен к входу амплитудного детектора 3 и к входу устройства 4 выборки и хранения, выходы последних подключены к двум ходам блока 5 сравнения. Управляющие входы 3, 4 и 5 блоков подключе ы соответственно к первому, второму и третьему выходам формирователя 2 импульсовФормирователь 2 импульсов содержит фазовраща 1 ель 6, первый компаратор 7, второй компэра гор 8, логическую схему ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 9, логическую схему И - НЕ 10,Вход фазоврагцателя 6 подключен к сигнальнолу входу 4 дрмирователя 2 импульсоя, отмечен сигналом. делителем О(т) (фиг.5 10 20 25 30 35 40 45 50 55 Управляющие сигналы с трех выводов формирователя 2 предстаелены на фиг, 3.3, 3.4, 3.5.На вход формирователя 2 поступает входной сигнал-делитель Оу(с), который подается на вход фаэовращателя 6 и на вход первого компаратора 7. Фазовращатель б сдвигает входной сигнал на угол л /2, и этот сигнал с его выхода поступает на вход второго компаратора 8. На выходах компараторов 7 и 8 получают прямоугольные логические импульсы длительностью То в половину периода синусоидального сигнала, сдвинутые друг относительно друга на л /2 - сигналы От и 08 на фиг. 3.2 и 3.3. 2). К этому же входу подключен вход первого компаратора 7, Выход фазовращателя б подключен к входу второго компаратора 8, выход последнего подключен к первому выводу формирователя 2 импульсов, к первому входу схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 9 и к первому входу схемы И - НЕ 10. Выход первого компаратора подключен к второму входу схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, ее выход подключен к второму выходу формирователя 2 и к второму входу схемы И - НЕ 10, выход которой подключен к третьему выходу формирователя 2 импульсов,Устройство работает следующим образом,Синусоидальные сигналы Ох(1) и Оу(т) по. ступают на два входа блока 1 деления и одно из них, например Ох(1), является делимым, а второе - Оу - дел ител ем,Частное от деления сигналов 01 будет представлять собой периодическую функцию, изменяющуюся по закону, близкому к "тангенсу" или "котангенсу" и в зависимости от знака разности фаэ исходных будет представлять собой либо убывающую функцию на каждом полупериоде То сигнала делителя Оу(т), как на фиг, 3.1 для положительной разности фаз, либо возрастающую функцию для отрицательной разности фаз, Приближенность зависимостей обусловлена тем, что в начале и конце каждого полупериода функции будут иметь не бесконечные, а некоторое конечное значение А,Сигнал 01 поступает на амплитудный детектор 3 и на устройство 4 выборки и хранения, которые управляются сигналами с формирователя 2, поступающими в определенной временной последовательности, Третий сигнал с формирователя 2 падает на управляющий вход блока 5 сравнения,Сигнал Ов поступает на первый выход формирователя 2 и подается на управляющий вход устройства 4 выборки и хранения,Сигнал Оа в течение 1/2 периода в первой и последней четвертях нулевого периода сигнала-делителя является сигналом нулевого уровня и одновременно сигналом для режима "выборки" блока 4 выборки и хранения информации, другая часть сигнала во второй и третьей четвертях периода сигнала-делителя является сигналом, осуществляющим режим "Хранение" - фиг 3;3Сигналы 07 и Ов поступают на логическую схему ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 9, которая формирует сигнал 09 (фиг. 3,4) в виде логических единиц в каждых первой и третьей четвертях периода, когда совпадают логическая "1" и логический ноль сигналов 07 и Оп соответственно, во второй и третьей частях периода на выходе схемы 9формируется логический "0", Сигнал с выхода схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 9 поступает на второй выход формирователя 2 и подается на управляющий вход амплитудного детектора 3,На два входа логической схемы И-НЕ 10 поступают сигналы Ов и 09, из которых на ее выходе формируется разрешающий сигнал логического "0" в третьей четверти каждого периода, когда сигналы Оа и 09 имеют логическую "1".Сигнал логического "0" (напряжение Ою на фиг. 3.5) обозначен "Измерение",Сигнал с выхода схемы И - НЕ 10 поступает на третий выход формирователя 2 и подается на управляющий вход блока 5 сравнения,При поступлении сигнала Ов в виде логического "0" с первого выхода формирователя 2 на управляющий вход УВХ 4 в первую четверть периода осуществляется режим выборки и на выходе УВХ 4 идет повторение сигнала 01(фиг, 3.6, напряжение Оп). В течение второй и третьей четвертей периода сигнал 08 принимает значение логической "1" и осуществляется режим хранения, т, е, в течение этого времени на выходе УВХ 4 будет сохраняться напряжение. которое было на его выходе в конце первого периода, например, величиной В (фиг. 3,6). В четвертой четверти периода УВХ 4 снова р.ботает в режиме выборки и на его выходе повторяется напряжение 01(сигнал 04 на фиг, 3.6).В следующий период повторяется аналогичный режим работы УВХ 4.Когда сиГнал 09 с второГо выхода формирователя 2 равен логической "1" в первой и третьей четвертях периода, то при поступлении еГо на управляющий вход амплитудного детектора 3 последний осулцеств 2000579ляегдетектирование сигнала 01 и на выходе амплитудного детектора 3 будет в эти четверти периода поддерживаться сигнал. равный амплитуде А сигнала 01 и сохраняющий знак этого сигнала, а во второй и четвертой четвертях периода, когда 09 равно логическому "0", происходит сброс выходного напряжения блока 3, как показано на фиг, 3, 7, напряжение Оз.При поступлении управляющего сигнала 01 о с третьего выхода формирователя 2 импульсов на блок 5 сравнения происходит сравнение сигналов в третьей четверти каждого периода, когда напряжение 01 о соответствует логическому "0": сигнала Оз амплитудой А с выхода амплитудного детектора 3 и сигнала 04 с выхода УВХ 4, амплитуда которого в третьей четверти периода равна В.Блок сравнения выполнен как дифференциальный усилитель, поэтому на его выходе будет формироваться последовательность импульсов положительной полярности при АВ, как в рассматриваемом примере (фиг, 3,8, сигнал.Оь), Дифференциальный усилитель, на котором построен блок 5 сравнения, блокируется в трех остальных четвертях периода (первом. втором и четвертом), когда сигнал О 1 о соответсфгвует логическому "0",Таким образом, при положительном знаке разности фазы, когда Ох(т) опережает Оу(с), на выходе устройства будет последовательность положительных импульсов, кзк в выше приведенном примере, При отрицательном знаке разности фаэ, т. е. когда Оу опережает Ох(1). выходной сигнал блока 1 деления 01 будет иметь форму, приближающуюся к тангенсу. (фиг. 3.9) и для этого варианта работы устройства сигналы с выходов блоков 4 и 3 будут иметь противоположное соотношение 04 Оз (в первом примере Оз 04) (фиг, 3.10, 3.11 соответственно), В этом рассматриваемом случае В А и дифференциальный усилитель блока 5 сравнения будет формировать импульсы отрицательной полярности в каждой третьей четверти периода (фиг, 3,12, напряжение 05),Таким образом, о знаке рзэносги фаз между сигналами судят по полярности выходной последовательности импульсов.Информация о знаке разности фазы нужна либо в устройствах измерения фазы и тогда полученные последовательности преобразуют в управляющие импульсы для общей измерительной схемы, либо этз информация необходима для самостоятельной регистрации, в этом случае полярность последовательности импульсов может быть 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 определена, например, с помощью стрелочного прибора с нулем по середине шкалы или при цифровой регистрации эти последовательности могут быть использованы как логические управляющие импульсы,Все блоки устройства могут быть выполнены на стандартных микросхемах и все устройство в целом занимать плату размером 100 х 200 мм,Заявляемое устройство, основанное на принципе логической обработки сигнала, полученного от деления искомых сигналов, и формирования на выходе последовательностей сигналов двух видов, позволяет определять знак разности фаз с высокой точностью в областях. где другие устройства работают со значительной погрешностью, а именно в инфранизкочастотной области и при значениях сдвигов фзэ, близких или кратных 90. При этом к точностным характеристикам блоков устройства не предъявляются высокие требования. так как точность определения заложена в принципе, на котором основано устройство.При практическом испытании устройства с помощью задающего генератора синусоидальных колебаний низкой частоты и последующем моделировании на компьютере анализ напряжений на выходе блока деления показал, что даже при частотах 0,2 Гц и абсолютном значении рэзности фзз 0.1 значения А и В частей сигнала на выходе блока деления (и, соответственно А и В) отличаются между собой не менее, чем на 20 о , и легко различаются дифференциальным усилителем, нз котором построен блок сравнения.Известное устройство - один иэ лучших нз сегодня промышленно освоенный фаэометр Ф 2-34 - позволяет определять кроме сдвига фзэ и знак разности фазы, но гарантирует воэможность определения до значения сдвига фазы l уъ, /=0,2" на частоте не ниже 1 ГцФормула изобретения Устройство для определения знака разности фзэ, содержащее формирователь импульсов, подключенный к одному из сигнальных входов устройства. и блок сравнения, гы,од которого является выходом устройства, о т л и ч з ю щ е е с я тем, что оно дополнительно содержит блок деления, амплитудный детектор и устройство выборки и хранения. причем доз входа блока деления - один для сигнала - делимого, другой для сигнала-делителя подключены к двум входам устройства, и к входу сигнала-делителя подключен вход формирователя импульсов, выход блока деления соединен с входамиамплитудного детектора и устройства выборки и хранения, а выходы двух этих бло,ков подключены к двум входам блока сравнения соответственно, управляющие входы устройства выборки и хранения. амплитудного детектора и блока сравнения подключены соответственно к первому, второму и третьему выходам формирователя импульсов.2, Устройство по и. 1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что формирователь импульсов содержит фазовращатель, первый и второй компараторы и две логические схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и И-НЕ, причем фазовращатель и первый компаратор подключены к сигнальному входу формирователя импульсов, выход фазовращателя соединен с входом второго компаратора.выход последнего подключен к первому вы ходу формирователя импульсов, к первомувходу логической схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и к первому входу логической схемы И-НЕ, выход первого компаратора подключен к второму входу логической схемы ИСК ЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. ее выход подключен квторому выходу формирователя импульсов и к второму входу логической схемы И-НЕ, выход которой подключен к третьему выходу формирователя импульсов,152000579 Тираж Подписное НПО "Поиск" Роспатента13035, Москва, Ж, Раущская наб., 4/5 д, ул.Гагарина, 10 Производственно-издательский комбинат "Патент", г Уж РедакторЗаказ 307 А Ф Составител Техред М.М