Цифровой фазометр

)4 С 01 К 25 Й КОМИТЕТ СССРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ ОСУДАРСТВЕН ПО ДЕЛАМ ИЭО САНИЕ ИЗОБРЕТЕ ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ уховскои,ифровы Ново(57) Изобретение. относитсизмерительной. техники, Цетения - увеличение точносния базового сдвига входн Цифровой фазометр состоит иэ формирователя 1, блока 2 управления, электронных ключей 3 и 4 регистров 6 и 7сдвига, блока 8 регистрации и генератора 9 импульсов. Введение реверсивного счетчика 5 импульсов и образование новых функциональных связей делает максимальную абсолютную погреш-,ность фазометра, не превышающей удвоенной абсолютной погрешности квантования временных интервалов. Такимобразом, высокая точность измеренияобеспечивается за счет устраненияпотери точности представления числовых эквивалентов мер фазового сдвига, 2 ил.Изобретение относится к измерительной технике, в частности к Фазометрам, и может быть использовано дляизмерений Фазовых сдвигов исследуемых сигналов, 5Целью изобретения является увели"чение точности измерения Фазовогосдвига входных сигналов.На фиг. 1 представлена блок-схемаустройства на фиг.2 - то же, блокауправления.Цифровой Фазометр состоит. иэ формирователя 1, блока 2 управления,первого и второго электронных ключей3 и 4, реверсивного счетчика 5 импульсов, первого и второго регистровб и 7 сдвига, блока 8 регистрации игенератора 9 импульсов.Выходы формирователя 1 соединеныс первым и вторым входами блока 2управления, первый и второй выходыкоторого соединены соответственйо спервыми входами первого и второгоэлектронных ключей 3 и 4, вторые вхо-.жы которых соединены с третьим входом блока 2 управления и выходом генератора 9 импульсов, а выходы первого и второго ключей 3 и 4 соединенысоответственно с входами сложения и130вычитания реверсивного счетчика 5, вывыход которого соединен с четвертымвходом блока 2 управления. Группа информационных входов реверсивного счетсчетчика 5 соединена с группой выходов регистра 7 сдвига, группа информационных входов которого соединенас группой информационных выходов реверсивного счетчика 5, а первый ивторой управляющие входы соединены с40третьим и четвертым выходами блока 2управления, пятый и шестой выходы которого соединены с первым и вторымуправлющими входами реверсивногосчетчика 5, седьмой и восьмой выходы,1 гблока 2 управления соединены с входами регистра б сдвига, группа выходовкоторого соединена с группой входовблока 8 регистрации, управляющий входкоторого соединен с девятым выходомблока 2 управления,Устройство работает следующим образом.На вход Формирователя 1 поступаютсинусоидальные сигналы Б, и Ц счастотой Р, фазовый сдвиг (р междукоторыми нужно измерить. Формирователь 1 преобразует входные синусоидальные сигналы в прямоугольные импульсы с длительностью , , пропорциональной измеряемому фазовому сдвигумежду сигналами 11, и 1) (беэ учета текущего значения периода 23 исследуемых сигналов), и прямоугольные импульсы с длительностью равной половине периода исследуемых сигналов. Эти импульсы поступают на блок 2 управления. Затем, в следующем через один период исследуемого сигнала, блок 2 управления Формирует прямоугольный импульс с длительностью 2 Т , которая равна периоду Т исследуемых сигналов. С помощью электронных ключей 3 и 4, и генератора 9 импульсов длительности импульсов , и 2 ь преобразуются в число-импульс 7ные коды И, и Исоответственно, т,е, И,= ," й,; И =2 Т 16,где Г, - частота генератора 9 импульсов, (символы И, и М применяются и для обозначения соответствующих им двоичных кодов)Сначала в число-импульсный код И, преобразуется длительность импульса Т, (фазовый интервал ь, ), значение которой соответствует измеряемому фазовому сдвигу ц (без учета текущего значения частоты (периода) исследуемых сигналов), Этот число- импульсный код через электронный ключ 3 поступает на вход сложения реверсивного счетчика 5 импульсов. После окончания импульса с, записанный в реверсивном счетчике 5 импульсов дво; ичный код И переписывается в регистр 7 сдвига и сдвигается в нем на один разряд влево (в сторону, старших разрядов). Эта эквивалентно умножецин значения кода И, на два, Затем полУченный параллельный двоич- ный код 2 И, переписывается из регистра 7 сдвига в реверсивный счетчик 5 импульсов, После этого на вход Вычи тания реверсивного счетчика 5 импульсов через электронный ключ 4 начинает поступать число-импульсный код И, соответствующиц периоду исследуемого сигнала Т. Значение этого кода является текущим числовым эквивален -о том меры Фазового сдвига ЗбО , Таким образом, в реверсивном счетчике импульсов 5 осуществляется одновременно запись число-импульсного кода периода и его вычитание из удвоенного значения двоичного кода фазового интервала, т.е. определяется и фиксируется код разности 2 В,-М. Сравнение удвоенного значения кода Фазо2 а-М = 2 М;Я а;, -М/2 = к, а,(2) При этом в каждом -м цикле вычисле-. ния будет использовано одно и то же число М , являющееся в каждом -м цикле числовым эквивалентом меры фазового сдвига 360 /2 (удвоение в каждом -м цикле работы устройства результата разности (1) не приводит к увеличению числа двоичных разрядов фазометра более чем на один, так как разность (1) после умножения на 2 не может превышать значения 2 М -2).Блок 2 управления содержит 5 КБ- триггеров 10-14, 8 элементов И 15-22, 3 элемента НЕ 23-25, 2 элемента ИЛИ 26 и 27, 11 формирователей 28-33, 2 Э-триггера 39 и 40 и 2 пересчетных блока 41 и 42Первый и второй входы блока 2 управления соединены с первыми входамипервого и второго элементов И 15 и 16, вторые входы которых соединены с выходом первого КБ-триггера 10. Выход первого элемента И 15 соединен с одним входом третьего элемента И 17, выход которого через второй формирователь 29 соединен с Б-входом третье- . го КБ-триггера 12, а другой вход через второй КБ-триггер 11 и первый Формирователь 28 соединен с выходом второго элемента И 16, Второй вход блока 2 управления через первый элемент НЕ 23, четвертый элемент И 18 и третий формирователь 30 соединен 3 1870ного интервала 2 М с числовым зквина -лентом меры фазового сдвига 360 -Мэквивалентно (с точки зрения знакаразности) сравнению значения кодаМ с числовым эквивалентом меры фазового сдвига 180 (М /2), т.е. величина 2 М,-М 2=2 М., а, эквивалентнавеличине М-М /2 = ос, а, гдето,=, - знаки разностей, а, - значениеполученной разности. Таким образом, 10в результате первого сравнения удвоенного значения кода измеренного фазового сдвига 2 М со значением кодаМ определяется больше или меньшеизмеряемый фазовый сдвиг чем 15180 эл.град, Знак разности фиксируется в разряде заема реверсивного счетчика 5 импульсов. Если величина 2 М -М0 (у 180 эл.град), то код этойразности переписывается из реверсивного счетчика 5 импульсов в регистр6 сдвига, а в первый (младший) разряд регистра сдвига 7 записываетсяединица.Пусть разность 2 М,-М 0, т.е. иэ меряемый фазовый сдвиг меньше180 эл.град. При этом в первый разрядрегистра 6 сдвига запишется нуль, ав регистре 7 сдвига останется прежнеезначение двоичного кода 2 М, После 30сдвига на один разряд влево (в сторону старших разрядов) в регистре 7сдвига будет зафиксирован двоичныйкод 2 (2 М,)=4 М Затем двоичный код4 М перепишется в реверсивный счетчик 5 импульсов. После этого на еговход вычитания начинает поступатьочередной число-импульсный код Мсформированный в следующем черезодин, т.е. в пятом периоде с начала 40измерения, Во втором цикле работыустройства в реверсивном счетчике 5импульсов производится вычисление разности 4 М-М = 4 а, а. С точки зрениязнака последняя разность эквивалентна разности М, - М /4 =" а, где Ф= М = о, . В этом случае сравнение двоичного кода 4 М, с двоичным кодом Мэквивалентно сравнению значения кодаизмеряемого фазового сдвига М, с числовым эквивалентом фазового сдвига90 эл.град, (М/4). Пусть разность4 М - МО. Тогда в младший разрядрегистра 6 сдвига запишется единица,а код разности 4 М, - М перепишется 55в регистр 7 сдвига. Затем производится сдвиг содержимого обоих регистровна один разряд влево. При этом в регистре 7 сдвига будет зафиксирован 37 4двоичный коделиь 2(4. М-М ), ав регистре 6 сдвига двоичный код000010 (старшие разряды расположены слева). Затем двоичный код 2(4,М, -М ) переписывается в реверсивньсчетчик 5 импульсов и на его вход вычитания начинает поступать число-импульсный код М , сформированный вследующем через один период исследуе"мых сигналов. Таким образом, в каждом.-м цикле работы устройства произво-.дится сравнение значения измеряемогофазового сдвига М, (или его остаткова;, от предыдущих сравнений) со значением числового эквивалента меры фазового сдвига 360 /2 (М/21), т.е.в .-м цикле работы устройства вычисляется разность которая с точки зрения знака разностиэквивалентна разности1287037 До начала измерения триггер 10 находится в состоянии логического нуля и входные сигналы ь,и ь , поступающие с выходов формирователя 1, на работу устройства не влияют. Импульс начала измерения формируется с помощью триггера 14, элемента НЕ 23, элемента И 18 и формирователя 30 таким образом, что он по времени совпадает со спадом импульса ь (при отсутствии импульса С, ). Импульс начала измерения устанавливает все триггеры блоФ ка 2 управления в начальные состояния.Так как цифровой эквивалент меры фазового сдвига 360, 180,90 эл. град, и т.д. формируется в каждом цикле работы устройства от опор-. ного сигнала с, то и работа блока 2 управления синхронизируется также от входного опорного сигнала ь . Для обеспечения правильного Функционирования устройства необходимо Формировать цифровые эквиваленты двоичных мер фазового сдвига через период сигнала 2 ь . Это осуществляется с помощью триггера 39, работающего в счетном режиме. Триггер 13 предназначен для формирования одного строба (в процессе одного измерения) длительностью ь, на управляющем входе электронного ключа 3. После формирования этого строба могут формироваться только стробы длительностью 2 с (2 7 =Т) на управляющем входе электронного ключа 4.По спаду строба 2 Г в каждом д-м цикле работы устройства (=1,2,п где и - число разрядов Фазометра) с помощью формирователей 31-35 формируются импульсные управляющие сигна- лые с К-входом первого 0-триггера 39,Б-вход которого соединен с клеммойположительного напряжения, 0 -вход- .с инверсным выходом, С-вход - с выходом третьего элемента И 17, а прямой выход через пятый элемент И 19соединен с входами седьмого элементаИ 21 и четвертого формирователя 31,выход которого соединен с К"входомчетвертого КБ-триггера 13, инверсныйвыход которого соединен с вторым .входом седьмого элемента И 21, прямой .. выход - с одним из входов шестогоэлемента И 20, а Б-вход - с Б-входомпервого КБ-триггера 10, К-входомвторого КБ-триггера 11, выходом третьего формирователя 30, входом одиннадцатого формирователя 38, одним извходов первого элемента ИЛИ 26 и входом второго элемента НЕ 24, Первыйвход блока 2 управления соединен свторым входом четвертого элементаИ 18, третий вход которого соединенс прямым выходом пятого КБ-триггера 14, инверсный вход которого соединен с вторым входом пятого элемента И 19, К-вход соединен с выходомодиннадцатого формирователя 38, аБ-вход через десятый формирователь37 соединен с входом второго пере-:счетного блока 42, К-вход второго 2триггера 40 соединен с клеммой положительного напряжения, Э -вход с общей шиной, Б-вход с выходом первогоэлемента ИЛИ 26, второй вход которого через последоватепьно соединенныеседьмои, шестой и пятый Формирователи34,33 и 32 соединен с выходом четвертого формирователя 31 и первым входомвосьмого элемента И 22, второй вход 40которого соединен с выходом второго0-триггера 40, а выход - с входом второго элемента ИЛИ 27, второй вход которого соединен с выходом седьмогоФормирователя 34, входом восьмогоформирователя 35 и через последовательно соединенные первый пересчетныйблок 11 и девятый Формирователь 36 свходом третьего элемента НЕ 25, вторым входом второго пересчетного блока 5042 и К-входом первого КБ-триггера 10,К-вход третьего КБ-триггера 12 соединен с выходом пятого .Формирователя 32,55Блок управления обеспечивает синхронную работу всех функциональныхэлементов устройства и работает слеДующим образом,Триггер 40 служит для разрешения или запрещения перезаписи разности, Формируемой в каждом 1-м цикле работы устройства в реверсивном счетчике 5 импульсов, в регистр 7 сдвига, Сигнал знака этой разности поступает на вход С-триггера 40, Если импульс знака разности не поступает на вход С-триггера 40 с разряда заема ревер- сивного 5 счетчика импульсов, то разность положительна и перезапись ее в регистр 6 сдвига нужна. В этом случае сигнал перезаписи через эле"мент ИЛИ 27 поступит в регистр 7 . сдвига, Если разность отрицательна, то импульс заема с реверсивного счет 12чика 5 импульсов поступит на входС-триггера 40 и сигнал перезаписиразности в регистр 7 сдвига не пройдет через элемент 22 И, а в регистре7 сдвига останется предыдущее значение кода.Пересчетный блок 41 служит дляопределения нужного числа циклов иработы устройства. После подсчета иимпульсов пересчетный блок 41 формирует сигнал конца измерения, с помощью которого результат измерения,находящийся в регистре 6 сдвига, поступит на блок 8 регистрации.Пересчетный блок 42 служит длязадания необходимого времени на отображение результата измерения в блоке 8 регистрации. Это время задается путем подсчета определенного числа импульсов генератора 9 импульсов.По окончании времени регистрации пересчетный блок 42 устанавливает триггер 14 в состояние логической единицы и в момент спада импульсавновьформируется импульс начала измерения,и устройство производит очередноеизмерение, Пересчетный блок 42 уста-навливает триггер 14 в состояние логической единицы сразу после подачинапряжения питания на фазометр.Пересчетные блоки 41 и 42 реализованы с помощью счетчиков импульсови дешифраторов. формирователь 1 может быть. реализован с помощью усилителей-ограничителей и фазового детек. тора,Определим максимальную абсолютнуюпогрешность Ьпредлагаемого устройства. Эта погрешность определяетсяпогрешностью квантования фазовогоинтервала , - Ь в результате квантования которого формируется двоичный код М, погрешностью квантованиявременного интервала 2 ьг - Ьг, в результате квантования которого формируется двоичный код Мг, атакже реализованным в устройстве способом обработки двоичных кодов М и М дляполучения кода измеренного фазовогосдвига М.Погрешности квантования Ь и являются случайными величинами, которые могут принимать значения: 0 6 Ь й 1 0Ьг й 1, т.е. эти погрешности не превышают единицы младшего.разряда двоичных кодов М, и Мг . Оиределим погрешность д обработки кодов М, и Мг с учетом погрешностей их(при вычислении которой производитсясравнение удвоенного значения кодафазового интервала М с числовым эквивалентом М меры фазового сдвига180 эл.град.) определяется с погрешностью Ь, =+26 + Ь . С учетом веса кода М (в град.) в первом цикле эта .погрешность равна г Ь, "180 Ь, 360 15 Вторая разность с учетом погрешности первой разности 2 (а +Ь)- (Мг + Ьг) =Ой аг+2 Ь + ьг 20(при вычислении второй производитсясравнение удвоенного кода 2 М, фазового интервала или его остатка а отпредыдущего сравнения с числовым эк вивалентом М меры фазового сдвига90 эл.град.) определяется с погрешностью Ь =+2 Ь, +д = +4 а,+ ЗЬ . С учетом веса кода М (в эл.град.) во второй разности эта погрешность равна 30 Ь 90г Мг Ь 360 Х 22 М 2(а, +Ь, ) - (М -Ь ) К+Ь., +Ь(при вычислении которой производится 55 сравнение удвоенного значения кода1 1. фазового интервала 2Мили егоостатка от предыдущего сравнения ас числовым эквивалентом меры фазовогосдвига 360 /2 ) определяется с пооАналогично -я разность с учетом по грешности (-1)-й разности 2(а;, ++Ь;, )-(Мг-Ь ) =с,а; +2 Ь;, + Ьг (привычислении которой производится сравнение удвоенного значения кода фазового интервала 2 М, или его остатков 40 от предыдущего сравнения а;, с числовым эквивалентом М меры фазовогосдвига 360 /2) определяется с погрешностью Ь;-+2 Ь;, +Ь =+2 ь,+(2 -1)Ьг.С учетом веса кода Мг (в эл.град.)т45 в д-м цикле эта погрешность равнаЬ; 3608, = ,- -- , Последняя и-я разность2с учетом погрешности (и)-.й разнос ти37 0лентов мер фазового сдвига и имеет меньший объем аппаратуры.Формула изобретенияЦифровой фазометр, содержащий блок регистрации, генератор импульсов, два регистра сдвига, два электронных ключа, блок управления и формирователь, первый и второй входы которого соединены соответственно с первой и второй входными шинами Аазометра, а первый и второй выходы формирователя соединены соответственно с первым и вторым входами блока управления, первый и второй выходы которого соединены с первыми входами соответственно первого и второго электронных ключей, вторые входы которых соединены с входом генератора импульсов, а группа выходов первого регистра сдвига соединена с группой входов блока регистрации, о т л и ч а ю - щ и й с я тем, что, с целью увеличения точности измерений, в него введен реверсивный счетчик импульсов, группа выходов которого соединена с группой входов второго регистра сдвига, управляющие входы которого соединены с третьим и четвертым выходами блока управления, а группа выходов - с группой информационных входов реверсивного счетчика, вход сложения которого соединен с выходом первого электронного ключа, вход вычитания - с выходом второго электрон 9 12870 грешностью Ь=+2 Ь , +ь =+2 "л,+ (2"-1 Ъ,Погрешность Ьс учетом веса кода И (в эл. град.) в п-й разности равна Ь 360в 2 п,1 Погрешность 3 д и есть погрешность обработки двоичных кодов И, и И с учетом их погрешностей квантования, т.е. 3 = й , Выразим погрешность д через погрешности квантования кодов И иМ Ь 360 360 Л(2 -1) 360 Ь,15 В самом неблагоприятном случае, когда погрешность Ь и Ь имеют разные знаки и максимальны по абсолютному значению (/6 / = / Ь / = 1)погрешносты будет максимальной о Ь 1 (2 - 1) ЬдЬ =Ь =+ 360 ( - + --)юла м 2 п25 Величина 2 -1/2 =1. Тогда с достаточноч для практического использования точностью можно записать ного ключа, а управляющие входы - спятым и шестым выходами блока управления, третий вход которого соединенс выходом генератора импульсов, ачетвертый - с выходом реверсивногосчетчика, при этом седьмой и восьмойвыходы блока управления соединены свходами первого регистра сдвига, адевятый выход - с входом блока ре-.гистрации,Ь,6 2 360 /М (3) Величина 360 /И = ь, является абсолютной погрешностью квантования временных интервалов (выраженной в эл,град.) Максимальная абсолютная погрешность фазометра не превышает удвоенной 35 абсолютной погрешности квантования временных интервалов, т.е, точность прибора полностью определяется только погрешностью квантования временных интервалов с, и ь40Таким образом, устройство обеспечивает более высокую точность измерения за счет устранения потери точности представления числовых эквива. ВНИИПИ Государственног по делам изобретений 113035, Москва, Ж, Р0 . Подписноекомитета СССРи открытийшская наб , д.4/5,