Фазометр

(19 (11) а)4 С 01 К ОПИСАНИЕ ИЭОБРЕТК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ И.фъ ",Ь с Я ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(56) Авторское свидетельство СССР У 1033982, кл. С О 1 К 25/00, 1983.Авторское свидетельство СССР 9 1038886, кл. С 01 К 25/00, 1983. (54) ФАЗОИЕТР(57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при построении автономных приборов для измерения фазовых сдвигов, а также автоматизированных систем управления и контроля. Цель изобретения " повышение точности измерения достигается за счет уменьшения зоны нечувствительности фазометра, возникающей на краях диапазона при сдвигах фаз сигналов,близких к. 360, Фазометр содержит формйрователи 1 и 2, РБ-триггеры 3 и 4,элементы И 5 и 9, элемент ИЛИ 6, одновибратор 7, инвертор 8, фильтр 10постоянной составляющей, Для достижения цели в фазометр введены коммутатор 11, третий формирователь 12,блок 13 критерийной обработки, элементы И 14 и 16 и элементы ИЛИ 15и 17. Введение блока 13 позволилопроизводить измерения при фазовыхсдвигах, близких к 360 и к О, Приэтом эона нечувствительности фазометра сокращается в 2-6 раз . Функциональная схема блока 3 приводится в описании изобретения, 3 ил.12 Предлагаемый Фазометр (Фиг.1) содержит первый формирователь 1 и . второй формирователь 2, входы которых являются соответствующими входами фазометра, первый 3, второй 4 КБ-триггеры, первый элемент И 5, выход которого соединен с Б-входом второго КБ-триггера 4, первый элемент ИЛИ 6, одновибратор 7, инвертор 8, второй элемент И 9, Фильтр 10 постоянной составляющей, выход которого является выходом фазометра, коммутатор 11, первый вход которого соединен с прямым выходом первого КЯ-триггера 3, а управляющий вход - с прямым выходом второго КБ-триггера 4 и первым входом второго эле- мента И 9, третий формирователь 12, вход и выход которого соединены соответственно с выходом одновибратора 7 и вторым входом второго элемента И 9, соединенные последовательно блок 13 критерийной обработки, первый вход которого соединен с выходом одновибратора 7, второй вход соединен с выходом первого Формирователя 1, а выход соединен с входом инвертора 8 и вторым входом коммутатора 11, третий элемент И 14, вход которого соединен с выходом второго элемента И 9, а выход соединен с первым входом первого элемента ИЛИ 6, и второй элемент ИЛИ 15, вход которого соединен с выходом первого формирователя 1 и первым входом первого элемента И 5, а выход соединен с Я-входом первого КБ-триггера 3, соединенные последовательно четвертый элеИзобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам измерения сдвига фаз, и может быть использовано как при построении автономных приборов для измерения фазовых сдвигов, так и при построении автоматизированных систем управления и контроля.Цель изобретения - повьппение точности измерения за счет уменьшения зоны нечувствительности, возникающей на краях диапазона при сдвигах фаэ сигналов, близких к 360 С. На фиг,1 представлена структурная схема фазометра; на Фиг.2 - структурная схема блока критерийной обработки; на фиг.З - временные диаграммы, поясняющие работу элементов фазометра. 36387мент И 16, первый вход котброго соединен с выходом второго элемента И 9,второй вход соединен с выходом инвертора 8, а выход соединен с вторымвходом первого элемента ИЛИ 6, итретий элемент ИЛИ 17, вход которогосоединен с выходом второго формирователя 2, вторым входом первого элемента И 5 и входом одновибратора 7,1 О а выход соединен с К-входом первогоКЯ-триггера 3, выход первого элемента ИЛИ 6 соединен с К-входом второго КБ-триггера 4, выход коммутатора 11 соединен с входом фильтра 1 О15 постоянной составляющей.Фазометр работает следующим образом,Входные гармонические напряженияУ, и У, поступают соответственно на20 вход первого формирователя 1 и второго формирователя 2 (Фиг,1). Припереходе входных напряжений Ц, и Бчерез нулевой уровень из отрицательных значений в положительные на выхо 25 дах указанных Формирователей формируются узкие импульсы длительностью (4-5) 1 у . Импульсы с выхода первого формирователя 1 (Фиг, За)воздействуют через второй элементИЛИ 15 на Б-вход первого триггера 3.Импульсы с выхода второго формирователя 2 (фиг.З,б) воздействуютчерез третий элемент ИЛИ 17 на К-входпервого триггера 3. Таким образом,35на прямом выходе первого КЯ-триггера 3 формируется импульсная последовательность (фиг.Зз), скважность которой пропорциональна фазолому сдвигу входных напряжений Б и О . Указанная импульсная последовательностьпоступает посредством коммугатора11 на вход фильтра 10 постояннойсоставляющей, На выходе фильтра 10постоянной составляющей образуется45 напряжение, пропорциональное скважности входной импульсной последовательности, и равно фазовому сдвигувходных напряжений.Работа устройства происходит при50измерении Фазовых сдвигов входныхнапряжений, существенно отличающихсяот 360-0 (режим 1).При Фазовых сдвигах, близких к360-0", имеет место совпадение вовремени импульсов с выходов первого55 формирователя 1 и второго. Формирователя 2, Вследствие этого первыйРЯ-триггер 3 из-за "состязаний" произвольно меняет свое состояние от12363периода к периоду, в то время какон должен находиться практическивсе время в единичном или нулевомсостоянии, Поэтому при совпаденииво времени импульсов на выходах первого формирователя 1 и второго Формирователя 2 прямой выход первогоКБ-триггера 3 отключается от входафильтра 10 постоянной составляющей,куда посредством коммутатора 11 под Оключается выход блока 13 критерийнойобработки. Блок 13 критерийной обработки предназначен для Формированияна своем выходе напряжения логической "1" при фазовых сдвигах, близких к 360, и напряжения логичес-.кого "О" при фазовых сдвигах, близких к Опо статистическим критериям.При этом при совпадении импульсов с выходов первого формирователя 201 и второго формирователя 2, поступающих соответственно на первый ивторой входы первого элемента И 5,на выходе последнего формируетсяимпульс (фиг.Зд), воздействующий на 25Б-вход второго КБ-триггера 4, устанавливая его в единичное состояние(фиг,Зи). Напряжение логическойс прямого выхода второго КБ-триггера 4 поступает на первый вход второ- Э 0го элемента И 9, а также на управ,ляющий вход коммутатора 11 дляподключения к входу фильтра 10постоянной составляющей выхода блока 13 критерийной обработки,Кроме того, импульс с выхода вто.рого формирователя 2 поступает навход одновибратора 7, который формирует на своем выходе импульс(Фиг.Зв) длительностью, в 3-5 раз 40превьпнающей длительность импульсана выходе второго формирователя 2.Импульс с выхода одновибратора 7поступает на первый вход блока 13критерийной обработки и на вход 45третьего формирователя 12. По спадувходного импульса третий Формирователь 12 вырабатывает на своем выходеузкий строб (фиг.Зг) длительностью,примерно равной длительности импульса на выходе второго формирователя2. С выхода третьего Формирователя12 строб транслируется через второйэлемент И 9 на первый вход четвертого элемента И 16 и на вход третьего 55элемента И 14. Выход блока 13 критерийной обработки подключен к входутретьего элемента И 14 и через пер 87 4вый инвертор 8 к второму входу четвертого элемента И 16 . Если выход блока 13 критерийной обработки находится в единичном состоянии (фазовый сдвиг входных напряжений У, и П близок к 360), то строб с выхода третьего формирователя 12 проходит через третий элемент И 14 и второй элемент ИЛИ 15 на Б-вход первого КБ-триггера 3, устанавливая его в единичное состояние. Если выход блока 13 критерийной обработки находится в нулевом состоянии (фазовый сдвиг входных напряжений П и О, близок к 0 ), то строб с выхода третьего формирователя 12 проходит ,через четвертый элемент И 16 и третий элемент ИЛИ 17 на К-вход первого КБ-триггера 3, устанавливая его в нулевое состояние. Кроме того, указанный строб либо с выхода третье. го элемента И 14, либо с выхода четвертого элемента И 16 проходит через первый элемент ИЛИ 6 на К-вход второго КБ-триггера 4 и возвращает его в нулевое состояние. Напряжение логического 10", поступающее с прямого выхода второго КБ-триггера 4 на управляющий вход коммутатора вызывает подключение к входу фильтра 10 постоянной составляющей прямого выхода первого КБ-триггера 3.Таким образом, под воздействием строба с выхода третьего формирователя 12 первый КБ-триггер 3 устанавливается в состояние, соответствующее состоянию выхода блока 13 критерийной обработки, второй КБ-триггер 4 возвращается в нулевое состояние и на вход Фильтра 10 постоянной составляющей подключается прямой выход первого КБ-триггера 3. Состояние сигнала на выходе коммутатора 11 (фиг,Зк) до конца периода входных напряженйй У, и У, не изменяется. Описанное функционирование устройства - режим 2).Известно, что переходный процесс в КБ-триггерах длится примерно 2 С где Зр - задержка распространения сигнала. Вследствие этого длительность импульсов, воздействующих на К- и Б-входы, должна быть не менее 2 С . Как указывалось ранее, длительность импульсов, Формируемых на выходах первого формирователя 1 и второго формирователя 2, выбирается равной (4-5) С . Поэтому при временном;р =р =05 р совпадении указанных импульсов менее чем на 503 их длительности, длительность импульса с выхода первого элемента И 5 окажется недостаточной для возведения второго КЯ-триггера 4 в единичное состояние, В то же время первый КЗ-триггер будет работать без сбоев, так как после окончания воздействия на соотвегствующий вход первого КБ-триггера 3 опережающего импульса, на другой вход воздействует отстающий импульс, Это воздействие будет продолжаться в течение времени не менее 21 ьр, Этого времени достаточно, чтобы переходные процессы в первом КБ-триггере 3 закончились, и он установился в соответствующее состояние. Устройство будет функционировать согласно описанию режимаПри временном совпадении импульсов с выходов первого формирователя 1 и второго Формирователя 2 более чем на 507. их длительности второй КБ-триггер 4 будет. устанавливаться в единичнсе состояние и функционирование устройства будет происходить согласно Описанию режима 2, При этом в устройстве будет иметь место так называемая эона неопределенности шириной 4,-5 Гв которой фазовому сдвигу присваивается значение либо 360, либо 0, Причем середине зоны неопределенности соответствует полное (1007.-ное) временное совпадение импульсов с выходов первого Формирователя 1 и второго формирователя 2, т.е. граница 360-0 шкалы устройстваВ результате анализа в блоке 13 критерийной обработки взаимного временнога расположения импульсов с выходов первого Формирователя 1 и второго Формирователя 2 на некоторой совокупности периодов входных напряжений П и П., на его выходе Формируется напряжение логической1 при фазовом сдвиге входных напряжении д, и П близком к 360 и напряжение логического "0" при ФазОВОм сдвиге близком к 0 Блок ",3 критерийной обработки (Фиг.2) содержит элемент ИСКЛОЧЫОЩЕЕ ИЛИ 18, регистр 19 сдвига, элемент НЕ 20, первые входы которых объединены с первым входом блока 13, соединенным с выходам одновибратора 5 10 15 20 25 30 35 при этом С-вход регистра 19 ивторые объединенные входы элементов И 21 и 2 соединены с выходомформирователя 1 данного фазометраи являются вторым входом блока 13,выходы элементов 18 и 20 соединеныс третьими входами элементов 21 и22. выходы которых соединены с входами (+1) и (-1) счетчика 23, а третийвход первого и первый вход второгообъединены, выход формирователя 24через элемент ИЛИ 25 соединен с установочным входом счетчика 23, выходы которого соединены с первым входом элемента ИЛИ 26 и Б-входомКЯ-триггера 27, К-вход которогосоецинен с выходом элемента 26, инверсный выход соединен с входом К-горазряда счетчика 23, а прямой выходявляется выходом блока 13 и соединен с входом коммутатора 11 и элемента 14 фазометра, при этом второйвход элемента 26 соединен с К-входом регистра 19,с вторым входом элемента 25 и клавишей "Уст," 28,Блок 13 работает следующим образом .Импульс с выхода одновибратора 7поступает на информационный входрегистра 19 сдвига, на вход синхронизации которого поступает импульсс выхода первого формирователя 1. ПоФронту импульса, поступающего свыхода первого формирователя 1, впервый разряд регистра 19 сдвига заносится либо логическая н 1 ,либо логический "0" в зависимости от взамыного временного расположения кчпульсов с выходов одновибратора 7 и первого Формирователя 1, При возрастании фазового сдвига до 360 и псреходе через границу 360-0 шкалы устройства в пределах эоны неопределенности вероятность р занесенияс логической 1" в первый разряд регистра 19 сдвига монотонно убывает от 1 до О, а вероятность р занесе-. ния логического 0 монотонно возрастает от О до 1. Причем в середине зоны неопределенности эти вероятности равны между собой и равны;, 0)5, т.е. Решение о формировании на выходе блока 13 критерийной обработки напряжения логической "1" или логичес 7 1 кого 0 принимается путем подсчета числа единиц, занесенных в регистр 19 сдвига, имеющий ш разрядов, за ш периодов и сравнения полученной суммы с пороговыми числами и и и, . Критерием формирования логической "1" является увеличение указанной суммы до и , а критерием Формирования логического "0" является уменьшение суммы до иЧисло периодов ш выбирается таким, чтобы решение о Формировании выходного напряжения блока 13 критерийной обработки определялось занесением логического 0 или логической "1" на данном периоде входных напряжений Ц и Б, не зависело от результатов занесения логического "О" или логической "1" на предыдущих (ш) периодах (т.е, процесс занесения информации в регистр 19 сдви, га статистически. описывается цепью Маркова), а также, чтобы отношение и/ш приближалось к вероятности занесения логической "1". Переключение напряжения на выходе блока 13 критерийной обработки из логического "0" в логическую "1" происходит при достижении количества единиц в регистре 19 сдвига величины и А переключение напряжения на выходе блока 13 критерийной обработки из логической "1" в логический "0" происходит при уменьшении количества единиц в регистре 19 сдвига до величины и,. Это необходимо для установки влияния дисперсии количества единиц в регистре 19 сдвига на принимаемое решение. Числа и и и, вырабатываются исходя из следующих соотношений:и-и, =и - и (1 - 2)бгде и - наиболее вероятное количество единиц в регистре 19 сдвига при полном совпаденииимпульсов с выходов формирователя 1 и формирователя 2,т,е. при Фазовом сдвиге, равном 360" или 0, при этоми = р ш 0,5 ш;6- среднеквадратичное отклонение количества единицв регистре 19 сдвига, равное6,- шр, Г)-р, )= 0,5 по 45 50 55 2025ЭО3540 Например, прй щ = 16, рлучаем;б = 2, тогда и, )и+ 1,5 о = 11,и зи - 1,56,=5.Описанный алгоритм принятия решения реализован в блоке 13 критерийной обработки следующим образом,Перед началом работы установка блока 13 критерийной обработки в исходное состояние осуществляется нажатием клавиши УСТ 28. При этом напряжение логической единицы от источника питания поступает на К-вход регистра 19 сдвига и через пятый элемент ИЛИ 26 - на К-вход третьего КБ-триггера 27, устанавливая их в нулевое состояние. Прямой выход третьего КЯ- триггера 27 является выходом блока 13 критерийной обработки. Кроме того, напряжение логической "1" через четвертый элемент ИПИ 25 поступает на установочный вход счетчика 23. При этом, поскольку на входы 1 в (Ч)-го разрядов счетчика 23 подано напряжение логического нуля от источника питания, а входы (Ч) -го разряда и Ч-го разряда подключены к инверсному и прямому выходам третьего КБ-триггера 27 соответственно, то (Ч)-й разряд счетчика 23 устанавливается в единичное состояние, а остальные разряды - в нулевое состояние. Число разрядов и счетчика 23 выбирается из соотношения: Ч1 оя,ш(если результат логарифмирования дробнык, то он округляется до целого с избытком). Тем самым счетчик 23 устанавливается в состояОние 2 =2 - 1 - и те, и, выбирается равным и, = 2+ 2При отпускании клавиши УСТ, в регистр 19 сдвига начинают заноситься логические "1" и логические "О" в зависимости от взаимного временного расположения импульсов с выхода одновибратора 7 и с выхода первого формирователя 1. Кроме того, импульс с выхода одновибратора 7 поступает на первий вход элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИПИ 18, на второй вход которого поступает сигнал с выхода последнего ш-го разряда регистра 19 сдвига.Выход элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕГ ИЛИ 18 соединен с первыми входами пятого элемента И 21 и шестого элемента И 22, На второй вход пятого элемента И 21 поступает импульс с выхода одновибратора 7. Этот же импульс,236387 10тояние 2 ф. До заполнения регистра 19сдвига единицами на счетчик 23 может поступить ещещ - и =2 +1 с 2 -1с.1 . Ч Вьуход блока 13 крнтерийной обра- З 5 ботки будет находиться в установленном состоянии до тех пор, пока количество единиц в регистре не достигнет с;исля и, При этом на выходе переноса СК-счетчиксз возникнет ф сигнал соступсчющий ня 8-вход третьего КБ"риггера 27. Сигнал логичес - кого О с инверсного выхода третьеГО Кь-трнгх ерй 27 поступает нЯ вход(с;-го разряда счетчика 23, 4 СигнЯл лоГической "1 с прямоГО выходя третье.го КВ- триггера 27 (фиг,Зж) поступает ня выход блока 13 критерийной обработки, на вход 1-ГО разряда счетчика 23 н ня вход четвер- ьО того формирователя 24. Формирователь 24 формирует короткие импульсы по возрастаощему и ниспадавшему фронтам входного сигнала., Короткий импульс с выходя четвертого Формирователя Б 24 через ;етвертый элемент ИЛИ 25 ПО ТУПЯЕТ Нсс УСсЯНОБОЧНЫй ВХОД СЧЕТ- чнкя 23, Счетчик 23 переходит в соспрошедший через второй элемент НЕ 20 поступает ня второй вход шесто - го элемента И 22 Ня третьи входы пятого элемента И 21 и шестого элемента И 22 поступает импульс с выхода первого формирователя 1, Выход пятого элемента И 21 соединен с динамическим вхопом +1 счетчика 23 Я выход шестого элемента И 22 соединен с динамическим входом - 1 счетчика, 23 Таким образом, если в первый разряд регистра 19 сдвигасзаносится логическая 1", а из в-гораз ряда выв однт с я ло гиче с кии 0 т о на выходе пятого элемента И 2 1 воз никае т си гн ял , по которому с остолние сче .Ния 2 3 увеличивается на единицу . Если в первый разряд р еги с тра 1 9 сдвига заносится ло гиче скнй " О" , Я из ш- Го разряда выводится ло гическ яя " 1 " , т о на выходе ше стого элемента 2 2 И возникает сигнал ,фиг , 3 е НО которому состояние с че тчик а 2 3 умен ьпа е т с я нЯ единицу . Если в пе рзый ра зр яц регистра 1 9 с д вн Га заноситсяа и з тп-го разряда выв Одитсн Один яково е з нячение ин- ФО рмациито состояние счетчика 2 3 не изм = н ;" тс я т як как сигнал логическа г о0с ьыхода элемента ИСКЗПОЧйОЦЕЕ ИЛИ 1 8 блокир ует распр ос трян е нне у пр янл ляц 1 х счетом си Г валов через пятый элемент И 2и шес -ой, емент И 2 2 . 1 О 15 20 25 3 Д импульсов на динамический вход +1 счетчика 23. Поэтому состояние счетчика 23 не достигнет максимального значения выходного кода, равного (с2 -1, и сигнал СК не будет сформирован, Таким образом, состоянию счетчика 23, равному 2 , всегда будет%соответствовать п, = 2 + 2 " - единиц в регистре 19 сдвига. Вследствие этого при уменьшении количества единиц в регистре 19 сдвига до значения и, = 2 - 1, состояниес -ссчетчика 23 уменьшится до О, На выходе заема ВК возникает сигнал, который через пятый элемент ИЛИ 26 поступает на К-вход третьего КЯ-триггера 27, переводя его в нулевое состояние. Опрокидывание третьего КБ-триггера вызовет изменение состояния выхода блока 13 критерийной обработки, а также возникновение на выходе четвертого формирователя 24 короткого импульса, который через четвертый элемент ИЛИ 25 уста 1 1/ новит счетчик 23 в состояние 2 Дальнейшее уменьшение числа единиц в регистре 19 сдвига до нуля не вызовет уменьшения выходного кода счетчика. 23 до нулевого значения и появления сигнала заема. Поэтому формирсвание сигнала переноса счетчика 23 произойдет прн увеличении числа единиц в регистре 19 сдвига до пс - 21 + 2 - 1.Таким образом, на выходе блока 13 критерийной обработки имеют место переключения выходного напряжения при переходе значения сдвига фаэ входных напряжений Б, и У, через границу шкалы устройства 0-360 в туили иную сторону. Аналогичные переключения состояния выхода блока 13 критерийной об- работки будут иметь место при сдвиге фаз входных напряжений У, и П определяемом длительностью импульса с выхода одновибратора . Однако в этот момент состояние выхода блока 13 критерийной обработки не учитывается при формировании выходного напряжения устройства . Поэтому длительность импульса с выхода одновибратора 7 жестко не регламентируется11 1 и может быть выбрана в довольно широких пределах.Таким образом, достоинство предлагаемого фазометра заключается в том, что при фазовых сдвигах, близких к 360-0, когда имеет место совпадение во времени импульсов с выходов первого 1 и второго 2 формирователей, в устройстве производится формирование выходного напряжения в соответствии с состоянием выхода блока 13 критерийной обработки, что позволило уменьшить ширину зоны нечувствительности до величины, равной половине длительности импульсов на выходах первого 1 и второго 2 формирователей. Кроме того, введение блока 13 критерийной обработки позволило производить измерения при фазовых сдвигах, близких к 360 и 0, а эона нечувствительности фаэометра сокращается в 2 разФормула из обретенияФазометр, содержащий первый и второй формирователи, входы которых являются входами фазометра, первый и второй КЗ-триггеры, одно- вибратор, инвертор,:элемент ИЛИ, фильтр постоянной составляющей, вы" ход которого является выходом фазометра, первый и второй элементы И, причем выход первого элемента И соединен с входом 3 второго КЗ-триггера, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности за счет уменьшения эоны нечувствитель 236387 12ности, в него введены коммутатор,блок критериальной обработки, тре,тий формирователь, второй и третийэлементы ИЛИ, третий и четвертыйэлементы И, при этом выход первогоформирователя через последовательносоединенные второй элемент ИЛИ и первый КЗ-триггер соединен с первымвходом коммутатора, выход которого 10 соединен с входом фильтра постоянной составляющей, кроме того выходпервого формирователя соединен спервым входом первого элемента И ипервым входом блока критериальной 15 .обработки, выход которого через последовательно соединенные инвертор,четвертый элемент И, первый элементИЛИ и второй КЯ-триггер соединен суправляющим .входом коммутатора и 20 первым входом второго элемента И выход которого соединен с вторыми входами третьего и четвертого элементов И, первый вход третьего элемента И и второй вход коммутатора соединены с выходом блока критериальнойобработки, выход третьего элемента Исоединен с вторыми входами первогои второго элементов ИЛИ, выход второго формирователя через третий эле- ЗО мент ИЛИ соединен с К-входом первогоКЗ-триггера и с вторым входом первого элемента И, а через последовательно соединенные одновибратор итретий формирователь - с вторым входом второго элемента И,причем выход 35одновибратора соединен с вторым входом блока критериальной обработки,а выход четвертого элемента И - свторым входом третьего элемента ИЛИ.1236387 8 Ю Составитель Техред ГГе Редактор С. ректор О. Луго ер Заказ 3085(47 Тираж 728 Подписное ВИИИПИ Государственного комитета СССР по делам иэобретений и открытий 13035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5