Цифровое устройство для измерения фазового угла

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик о 1960658 льное к авт. свид-ву 011280 (21) 3009852/18-21 1 Дополни 1 М.К(22) Заявле й 25/00 исоединением заявки МВ осударственнын комитет СССР по елам изобретений и открытий.М Б К. Крамаренк Львовский ордена Ленина политехнически йнстит им. Ленинского комсомола 1 Заявитель(54) ЦИФРОВОЕ УСТРОИСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФАЗОВОГО УГЛА льо Недостатками изв ства, определяющего между током и напря являются сложность, сложным алгоритмом мальных значений си углов момента строб же значительное увел стного устрой- фазовый угол ением в системе, обусловленная ычислений максиналов и фазовых рования, а такичение погреш 5 0 Изобретение относится к измерительной технике, а именно фаэометрии, и может быть использовано в информационно-измерительных системах для измерения фазового угла между двумя гармоническими сигналами.Известно устройство для детектирования разности фаэ, содержащее аналого-цифровые преобразователи, 1 О блок управления выборками и решающий блок. Исходными данными для решающего устройства служат значения выборок Рп, Родного входного сигнала и выборок 0, чвторого входного сигнала, полученйые и связанные отрезки времени с, с,и значения выборок Рк, Р ки Я,взятые до и после прохождения нулевой точки обоими колебаниями пе О ред упомянутымй отрезками времени 11. Недостатки устройства - большое количество выборок мгновенных значений сигнала, необходимых для определения фазового угла, сложность алгоритма вычислений, а также значительное увеличение погрешности измерения при углах момента стробирования, близких к Оо и 180 о, обусловленное тем, что вычисление Фазовых углов производится через функциюдГСС 05.Наиболее близким к изобретениюявляется устройство, определяющеефазовый угол между током и напряжением в системе, содержащее два аналого-цифровых преобразователя, входыкоторых являются входами устройства,блок управления выборками, вход которого подключен к одному из входовустройства, а выходы - к соответствующим вторым входам аналого-цифровых преобразователей, формироватевременного интервала, выход которогявляется выходом устройства. Крометого, в устройство дополнительновходят два блока запоминания мгновенных и вычисления максимальныхзначений входных сигналов и два блока вычисления Фазовых углов моментовстробирования для каждого из сигналов 12,ности измерения при углах момента стробирования, близких к 90 ф, обус. ловленное тем, что вычисление этих углов производится через Функцию агся(п.Целью изобретения является снижение габаритов устройства при сохра нении высокой точности измерения.Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее два аналого-цифровых преобразователя первые входы которых являются входами устройства, блок. управления выборками, вход которого подключен к одному иэ входов устройства, а выходы - к соответствующим вторым входам аналого-цифровых преобразователей, формирователь временного интервала, выход которого является выходом устройства, введены генератор тактовых импульсов, два ключа и два цифровых синусно-косинусных Функциональных преобразователя, первые входы которых соединены с выходами соответствующих аналого-цифровых преобразователей, вторые входы - с выходами блока управления выборками, третьи входы - с выходом генератора тактовых импульсов через ключ, первые выходы подключены к входам формирователя временного интервала и к выключающим входам соответствующих ключей, а вторые выходы являются выходами устройства, включающие . входы ключей соединены с выходом блока управления выборками.Ва Фиг. 1 представлена структурная схема цифрового устройства для измерения Фазового угла; на фиг. 2 структурная схема цифрового синуснокосинусного функционального преобразователя на фиг. 3 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства.Цифровое. устройство для измерения фазового угла содержит два аналогоцифровых преобразователя 1 и 2,.блок 3 управления выборками, формирователь 4 временного интервала, два цифровых синусно-косинусных Функциональных преобразователя 5 и 6, генератор 7 тактовых импульсов и два ключа 8 и 9. Информационными входами 10 и 11 устройства являются информационные входы аналого-цифровых преобразователей 1 и 2, кроме того, один иэ входов 10 устройства подключен к блоку 2 управления выборками. Выходы аналого-цифровых преобразователей 1 и 2 соединены с информационными входами 12 цифровых синусно-косинусных функциональных преобразователей 5 и 6, выходы 13 которых являются выходами амплитудных значений сигналов напряжения и тока устройства, а выходы 14 подключены ко входам формирователя 4 временного интервала и выключающим входам клю 50 55 60 65 динены со входами соответствующих 5 ф 10 15 20 25 30 35 40 чей 8 и 9, Выходы блока 3 управления выборками подключены к управляющим входам аналого-цифровых преобразователей 1, 2 и входам 15 управления установкой Функциональныхпреобразователей 5 и 6, а также ковключающим входам ключей 8 и 9.Выход генератора 7 тактовых импульсов соединен со входами ключей 8и 9, выходы которых подключены ковходам 16 тактовых импульсов функциональных преобразователей 5 и 6.Выход 17 формирователя 4 временного,интервала является фаэовым выходомустройства.Ключи 8 и 9 выполнены, в видеэлементов совпадения. Блок 3 управления выборками выполнен на базе известных устройств, используемых попрямому назначению и содержит узелизмерения периода входного сигнала,узел выработки стробирующих импуль-.сов и узел синхронизации. Формирователь 4 временного интервала выполнен в виде элемента совпадения.Цифровой синусно-косинусный Функциональный преобразователь 5 и 6состоит из регистра 18 синуснойсоставляющей и регистра 19 косинусной составляющей и четырех сумматоров 20-23 (Фиг. 2),Информационные входы 12 функционального преобразователя 5 и 6 соединены с установочными входами регистра 18 синусной составляющейи регистра 19 косинусной составляющей. Вход 15 управления установкойраздельно подключен ко входу управления установкой регистра 18 синусной составляющей и ко входу управления установкой регистра 19 косинусной составляющей. Вход 16 тактовых импульсов соединен с импульсными входами регистров 18 и 19 синусной и косинусной составляющих. Выходы разрядов регистра 18 синуснойсоставляющей соединены со входамисоответствующих разрядов сумматоров20 и 23 и со сдвигом на (р+1) раэрядов в сторону младших со входамиразрядов сумматора 22, а также являются выходбм 13 амплитудного значения сигнала устройства.Выходы разрядов регистра 19 косинусной составляющей соединены со входами соответствующих разрядов сумматоров 21 и 22 и со сдвигом на (р+1) разрядов в сторону младших со входами разрядов сумматора 23, а выход знакового разряда регистра 19 косииусной составляющей является выходом 14 функционального преобразователя. Выходы разрядов сумматора 22 подключены со сдвигом на рразрядов в сторону младших ко входамразрядов сумматора 20.Выходы разрядов сумматора 20 соераэрядон регистра 18 синусной составляющей. Выходы разрядов сумматора23 подключены со сдвигом на р разрядов н сторону младших ко входамразрядов сумматора 21. Выходы разрядов сумматора 21 соединены совходами соответствующих разрядонрегистра 19 косинусной составляющей,Устройство работает следующимобразом.Входные гармонические сигналыО и (, между которыми измеряетсяфазовый угол Ч , подаются на информационные входы устройстна 10 и 11,откуда они поступают на информационные входы аналого-циФровых преобразователей 1 и 2, а один иэ сигналов, например О, подается на входблока 3 управления выборками, Соответственно частоте входного сигнала,блок 3 управления задает моментывыборок мгновенных значений входныхимпульсов 10 и 1 90 отстающими друг от друга на время, равноепо длительности четверти периодаповторения входного сигнала, чтосоответствует фазоному углу, равному 90(фиг. 3 а, б). Через время,достаточное для осуществления преобразования входного сигнала в цифровой код, после, импульса г 0 вырабатывается импульс управления установкой регистров 18 синусной составляющей функциональных преобразователей 5 и б, а после импульсаимпульс управления установкой регистров 19 косинусной составляющейфункциональных преобразователей 5и б. Импульсы управления выборкамиподаются на управляющие входы аналого-цифровых преобразователей 1и 2, а импульсы управления установкой регистров - на входы 15 функциональных преобразователей 5 и б.В указанные моменты времени аналогоцифровые преобразователи 1 и 2 осуществляют преобразование входныхсигналов в цифровой код, при этомчерез информационные выходы 12 значения выборок, соответстнующие моменту св, заносятся в регистры 18 синусной составляющей, а значения выборок, соответствующие моментув регистры 19 косинусных составляющих соответствующих функциональныхпреобразователей 5 и б, После осуществления выборок и занесения ихв регистры блок 3 управления выборками вырабатывает сигнал разрешенияпреобразования, который подаетсяна включающие входы ключей 8 и 9.Этим разрешается прохождение тактовых импульсов преобразования, вырабатываемых генератором 7, черезключи 8 и 9 на входы 16 тактовыхимпульсон функциональных преобразователей 5 и б. С поступлением тактовых импульсон на функциональные преобразователи 5 и б начинается процесс синуснокосинусного функционального преобразования, при которомзначение, занесенное в регистр 18синусной составляющей, начинает возрастать по закону синуса, а значение,занесенное н регистр 19 косинуснойсоставляющей, начинает убывать позакону косинуса (фиг. 3 г, д, е, ж).10 Таким образом, с каждым тактом преобразования осуществляется как бы поворот векторов О и Э на определенный угол ь до положения нулевой Фазы (фиг. 3 в),4Поступление тактовых импулъсонпреобразования на функциональные преобразователи во времени осуществляется равномерно, поэтому и поворОтвекторов осуществляется равномернопо времени, Разность во времени меж-ду моментами достижения вектораминулевой фазы свидетельствует о фазовом угле между векторами Ч . Сигналом о достижении вектором значения25 нулевой фазы служит изменение знакав знаковом разряде регистра 19 косинусной составляющей функционального преобразователя 5 и б. Выходы14 знаковых разрядов косинусных30 регистров 19 подаются на Формирователь 4 временного интервала и навыключающие входы ключей 8 и 9. По- .этому при достижении каждым иэ векто.ров значения нулевой фазы прекраща 35 ется поступление тактовых импульсовпреобразования на этот функциональный преобразователь, прекращаетсядальнейший поворот вектора, а в регистре 18 синусной составляющей10 установится значение амплитуды вектора. Выходы 13 регистров 18 синуснойсоставляющей функциональных преобра- зователей 5 и б являются выходамиамплитудных значений сигналов напряжения О и тока 3 устройства. Формирователь 4 по сигналам изменениязнаков регистров 19 косинусных составляющих функциональных преобраэонате"лей 5 и б формирует сигнал, длительность которого пропорциональна значению фазового угла между сигналами,с выхода формирователя 4 сигналфазы в виде временного интервалапоступает на выход 17 устройства.Измерение Фазы ноэможно как в непрерывном, так и в импульсном режимахработы,Таким образом, применение цифровых функциональных преобразователей и узлов, обеспечивающих их работу, в цифровом устройстве для измерения фазового угла по двум мгновенным значениям сигнала нместо блоков запоминания мгновенных и вычисления максимальных значений и блоков нычисления значений агсь 1 п позволяет значительно снизить габариты устройства, одновременно повысив точность измерения. Например, если одно иэ квадратурных значений сигнала измерено вблизи максимального зна чения, второе - измерено около нуля, и при Фиксированной 10-разрядной сетке входного ЛЦП ошибка в измерении входного сигнала в единицу младшего разряда (0,001) приведет 10 к погрешности в определении фазового угла дЧ - 3,3 . Максимального значения погрешность достигнет при углах порядка 45 и будет равна д щах 3 2 сlЧ - 5, 15Таким образом, в предлагаемом устройстве погрешность измерения при углах порядка 80 О меньше в 4 раза; при 85 О - в 8 раз, при 87 -в 16 раэ меньше, чем у известного устройства. Дискретность преобразования синуснокосинусного преобразователя зависит от выбранного значения показателя р, обозначающего количество разрядов сдВига В сторону младших раэрядоВ на входах сумматоров Функционального преобразователя, и может быть сделана достаточно малой.Формула изобретенияЦифровое устройство для измерения фазового угла, содержащее два аналого-циФровых преобразователя, первыевходы которых являются входами устройства, блок управления выборками,вход которого подключен к одному извходов устройства, а выходы -к соответствующим вторым входам аналогоцифровых преобразователей, формирователь временного интервала, выходкоторого является выходом устройства,о т л и ч а ю щ е е с я тем, что,с целью снижения габаритов устройства при сохранении высокой точностиизмерения, я него введены генератортактовых импульсов, два ключа и двацифровых синусно-косинусных функциональных преобразователя, первые входы которых соединены с выходами соответствующих аналого-цифровых преобразователей, вторые входы - с выходами блока управления выборками, третьивходы - с выходом генератора тактовых импульсов через ключ, первыевыходы подключены к входам формирователя временного интервала и к выключающим входам соответствующих ключей,а вторые выходы являются выходамиустройства, включающие входы ключейсоединены с выходом блока управлениявыборками.Йсточники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Заявка Японии 9 5455230,кл. 110 Н 2, 25.12.79,2. Заявка Японии,М 5149230,кл. 110 Н 2, 25,1.2.76,.960658 г Составитель Н. АгееваТехред М. Коштура Коррект ренц дактор Н; Пушненков Подписноемитета СССРткрытийская наб., д. 4/5 Заказ 7255/5 Тираж 717 НИИПИ Государственного к по делам изобретений и 13035, Москва, Ж, Рауш