Фазометр

Союз Советских Социалистических Республик(22) Заявлено 160480 (21) 2909431/18-21с присоединением заявки Нов(51) М. Кл.з 6 01 В 25/00 Государственный комитет СССР по дедам изобретений и открытий(72) Авторы изобретения В.И. Гордиенко, В.Г. Рыбачук, Н.Д. Печеняк, В,П. УбоГий и Е.В. Ярошевский Физико-механический институт АН Украинской С 1(54) ФАЗОМЕТР Настоящее изобретение относится кэлектроизмерительной технике и можетбыть использовано для измерения сдвига фаз между гармоническими сигналами,Известен фаэометр, содержащийпервый и второй усилители-ограничители, выходы которых через дифференцирующие цепи подключены к входамтриггера, выход которого подключенк индикаторному прибору 1).Недостатками известного устройства являются невозможность измеренияфазовых сдвигов близких к О, вследствие сбоев в работе триггера припочти одновременном поступлении запускающих импульсов на его входы,погрешности за счет асимметрии уровней ограничения в усилителях-ограничителях, влияния конечной длительности Фронтов выходных импульсов усилителей-ограничителей и дифференцирующих цепей.Известен Фазометр, содержащийпервое и второе входные устройства,первую и вторую формирующие цепи,каскад совпадений, усредняющее устройство, причем выходы входных устройств через формирующие цепи подключены к входам каскада совпадений,выход каскада совпадений, выход каскада совпадений соединен с входомусредняющего устройства, к выходукоторого подключен индикатор 21.Недостатком известного устройстваявляется неоднозначность отсчета фазовых сдвигов в пределах в 1 -0 -+о о+180 .Наиболее близким к изобретениюявляется фазометр, содержащий усилители-ограничители, линии задержки,схемы антисовпадения, усредняющиесхемы, вычитающую схему, индикаторымодуля и знака разности фаз, причем,выходы усилителей-ограничителей соединены со входами первой схемы аитисовпадения, выход которой черезпервую схему усреднения соединен синдикатором модуля разности фаэ,входы первой и второй линий задержки соединены с выходами соответствую"щих усилителей-ограничителей, а ихвыходы - с первыми входами второй итретьей схем антисовпадения, второйвход второй схемы антисовпадения соединен с выходом второго усилителяограничителя, а второй вход третьейсхемы антисовпадения соединен с выходом первого усилителя-ограничите- ЗО ля, выходы второй и третьей схем ан892344 ственно к первым входам пятого ишестого элементов совпадения, вторыевходы которых подключены к выходуэлемента логического сложения, а выходы - ко вторым входам соответственно первого и второго ключей, первыевходы которых подключены к выходу источника опорного напряжения, а выходы соответственно к первым и вторым входам узла суммирования и усреднения, выход которого подключен ксвходам первого и второго пороговыхэлементов и первому входу сумматора, выход которого подключен к индикатотору, а второй вход - к выходу третьего ключа, первый вход которого че рез масштабный преобразователь подключен к выходу источника опорногонапряжения, а второй - к третьемувходу коммутатора и выходу второготриггера, первый и второй входы которого подключены соотнетственно квыходам первого и второго пороговыхэлементов. тисовпадения через схемы усреднениясоединены со входами вычитающей схемы, выход которой соединен со входоминдикатора знака разности фаз 31.Этот фазометр обеспечивает определение не только модуля, но и знакаизмеряемой разности фаз в пределах18 Оа -Оо-+18 ОоНедостатками известного устройстнаявляется погрешность определения знака разности фаз при измерении фазовых сдвигов, близких к О, возникающая из-за возможного неравенствавремен задержек линий задержки,инерционность н определении знакаразности фаз при ее переходе О нследствие наличия схем усреднения в канале определения знака разности фаз,погрешность обусловленная асимметрией уровней ограничения в усилителях-ограничителях, а также наличиедвух индикаторов, что усложняет работу оператора и снижает производительность труда.Цель изобретения - повышение точности и быстродействия определениязнака сдвига фаз при измерении малых фазовых сдвигов,Поставленная цель достигается тем,что в фазометр,содержащий первые ивторые формирователи, инверторы,элементы задержки, элементы совпадения, элемечт логического сложения,узел суммирования и усреднения сдифференциальными входами и индикатор, причем, вход второго формирователя подключен ко второму входному сигналу, а. выходы первого и вто- Ирого формирователей подключены ковходам первого и второго инверторов,выходы которых подключены ко входамсоответственно первого и второгоэлементов задержки и первым входом. 40второго и первого элементов совпадения, вторые входы которых подключены соответственно к выходам второгои первого формирователей, а выходы -к первому и второму входам элементалогического сложения, введены третий,четвертый, пятый и шестой элементысовпадения, первый и второй триггеры,первый и второй и третий ключи, первый и второй пороговые элементы,сумматор, масштабный преобразователь, 0источник опорного напряжения, коммутатор и фазосдвигающий блок, причем,вход последнего подключен к первомувходному сигналу и первому, а выход -ко нторому входам коммутатора, выход 55которого подключен ко входу первогоформирователя, первые входы третьегои четвертого элементов совпаденияподключены ко входам первого и второго элементов задержки, вторые " квыходам первого и второго элементовсовпадения, а выходы - к первым ивторым входам первого триггера соответственно, причем, первый и второйвыходы последнего подключены соответ На фиг. 1 изображена функциональная схема предлагаемого фазометра; на фиг. 2 и фиг. 3 - временные диаграммы, поясняющие его работу; на фиг. 4 - показана выходная характеристика фазометра,Основными узлами фазометра являются формирователи 1 и 2, иннерторы 3 и 4, элементы 5 и 6 задержки, элементы 7-12 совпадения, элемент 13 логического сложения, триггеры 14 и 15, управляемые ключи 16-18, узел 19 суммирования и усреднения с дифФеренциальными входами, сумматор 20 пороговые элементы 21 и 22, фазосдвигающий блок 23, коммутатор 24, источник 25 опорного напряжения, масштабный преобразователь 26, индикатор 27. Устройство работает следующим образом.Входные напряжения П и 08 сдвиг Фаз между которыми измеряется, поступает на входы формирователей 1 и 2, причем Б поступает непосредственно на формирователь 2, а Ор 1 или непосредственно на вход формирователя 1, или через Фазосдвигающий блок 23, в зависимости от состояния коммутатора 24, Формирователи 1 и 2 кодируют полярность входных сигналов двоичным кодом а инверторы 3 и 4 образуют обратные коды (Фиг.2 в, г,д,е; Фиг, Э н,г,д,е,). Прямой код сигнала Ое и обратный код сигнала Б 81 поступают на входы элемента 7 совпадения,а обратный код сигнала 04 и прямой код сигнала 0 Ь поступают на входы элемента 8 совпадения, На входах элементов 7 и 8 совпадения Формируются импульсы, длительностькоторых пропорциональна модулю измеряемого сдвига фаз и однозначно связана с ним впределах фазовых углов 0 -180(1) где Т 25 период входных сигна 5лов ци ПгЧ-Ч - сдвиг фаз междУ П 8и ПЬ 2Импульсные серии на выходах элементов 7 и 8 совпадения сдвинуты1 О относительно друг друга на половину периода входных сигналов, так как на их одноименных входах присутствуют взаимно-обратные коды. Эти им 1 пульсные серии суммируются элементом 13 логического сложения(фиг. 2 и; 15 Фиг, 3 и). При этом постоянная составляющая результирующей импульсной серии П не зависит от возможных сдвигов нулевой линии в формирователях 1 и 2. 20На входы элемента 9 логического совпадения поступают выходной сигнал элемента 7 совпадения и обратный код сигнала 1)8 предварительно задержанный на время Тс помощью элемента задержки 5 (фиг. 2 ж,к; фиг. 3 е,к). А на входы элемента 10 совпадения поступают выходной сигнал элемента 8 совпадения и обратный код сигнала 1)8 предварительно задержанный на время Сь с помощью элемента задержки 6 (фиг. 2 з,л,) .В зависимости от знака разности Фаз между П З и1 на выХоде одного из элемейтов совпадения 9 или 10 в моменты соответствующие началу очередного периода опережающего напряжения будут появляться короткие импульсы ( фиг. 2 м,н, Фиг. 3 м,н,). Если МО то импульсы появятся на выходе элемента 10 совпадения (фиг.2 м)40а на выходе элемента 9 совпадения нсе время будет нулевой потенциал (Фиг.2 н) .Если же сО,т.е. напряжение 1),)опережает напряжение П на выходе элемента 10 совпадения будет 45 нулевой потенциал(фиг.З м),а на выходе элемента 9 совпадения в момен.,ты соответствующие началу очередного периода сигнала П будут появляться короткие импульсы(фиг.З н), Выходные сигналы элементов 9 и 10 совпадения подаются соответственно. на 8 и Е входы триггера 14. Если О, импульсы с выхода элемента 9 совпадения установят триггер 14 в единичное состояние (фиг. 2 о,п.), откроется элемент 11 совпадения и импульсы с выхода элемента 13 логического сложения начнут поступать на упранляющий вход управляемого ключа 16 (фиг. 2 р), на выходе которого фор-60 мируются импульсы длительности Т, соответствующей значению модуля измеряемого сдвига фаз, амплитуда которых равна стабильному значению Чо, задаваемому источником 25 опорного 65Чц 1 = Ч (2)тгде Г - длительность импульсов навыходе элемента 13 логи"ческого сложения;Тц - период следования импуль 13сон на выходе элемента 13логического сложения.Поскольку импульс на выходе элемента логического сложения 13 формируется в течение каждого полупериодг входных сигналов, то 1(3) где Т - период. входных сигналовПодставляя (1) и (3) н (2) получаем1 Ч 191 - Ч ( - 1)Т 2, Чо,Т.е. модуль сигнала на выходе узла 19 суммирования и усреднения пропорционален модулю измеряемого сдвига фаз. Полярность этого сигнала положительная, если импульсы поступают с выхода ключа 16 на неиннертирующий вход схемы суммирования и усреднения т.е. при ЦО (фиг. 2 ф) и отрицательной, если импульсы поступают на инвертирующий вход этой схемы, что соотнетствует 1 с 0 (фиг. 3 ф) Этим самым достигаются однозначная связь между измеряемым сдвигом фаз и постоянным сигналом на выходе узла 19 суммирования и усреднения в диапазоне .фазовых сдвигов -180 -0 -+о о +180 . Таким образом можно записать- М Чо, 9 л(5) напряжения (фиг, 2 т) . Эти импульсыпоступают на неинвертирующий входузла 19 суммирования и усреднения.Управляющий ключ 17 в это время закрыт нулевым сигналом элемента 12совпадения (фиг. 2 с) и на его выходе тоже нуленой потенциал (фиг.2 у)Если же ц с О, то импульсы с выходаэлемента 10 совпадения установяттриггер 14 в нулевое состояние,(фиг; 3 о.п.) откроется элемент 12совпадения, а элемент 11 совпадениязакроется, и импульсы с выхода элемента 13 логического сложения станутпоступать на управляющий нход управляемого ключа 17 (фиг. 3 с), навыходе которого будут формироватьсяимпульсы стабильной амплитуды Ч идлительности(фиг. 3 у) . Импульсы с1 выхода управляемого ключа 17 поступают на инвертирующий вход узла 19суммирования и усреднения, а упран 1ляемый ключ 16 при этом закрыт нулевым потенциалом с выхода элемента11 совпадения (фиг, 3 р), и на еговыходе будет нулевой сигнал(фиг,З т).На выходе узла 19 суммирования и усреднения в это время будет постоянный сигнал, модуль которого равенв (14) Ч+аЧ) )Ч ) Выходной сигнал узла 19 суммирования и усреднения 19 через сумматор 20 подается на индикатор 27, на выходе которого получается отсчет измеряемого сдвига .Фаз.Как видно из временных диаграмм (Фиг. 2 м, фиг. 3 н), длительность управляющих импульсов поступающих на тот или иной вход триггера 14, Равна(ь )если длительность импульсов, формируемых на выходах элементов 9 и 10 совпадения, больше Ф ( тЬ), т.е. при сравнительно больших фазовых сдвигах входных сигналов. В случае измерения небольших по величине фазовых сдвигов может возникнуть ситуация, когда 7 с Ту 15 ( ( Вишь), и тогда длительность управляющих импульсов П или Пэ,пос упающих на соответствующие входы триггера 14, будет равна не(Сь), аь И в случае малых 1, особенно если 20 частота входных сигналов Пбх и П зМ велика, когда ь очень. мало, при изменении знака разности фаз могут возникнуть сбои в работе триггера 11. Поэтому, когда Ч 4 по модулю умень шается до величины Ч 19 соответствующей ЧЧ (Фиг. 4), срабатывает поРоговый.элемент 21,на его выходе появляется запускающий импульс, поступающий на счетный вход триггера 15, ЭО и последний переходит из нулевого состояния в единичное. Величина напряжения Ч( выбирается немного больше, чем фициент преобразования масштабногопреобразователя 26 выбрать равным а 1 ь 7 то на его выходе будет сигнал(11)Сумматор 20 суммирует выходные напряжения узла 19 суммирования и усреднения и масштабного преобразователя 26 (последнее поступает через управляемый ключ 18). Напряжение на выходе сумматора 20 равно. Чо, , Чо, Уо, (12)З1 т.е. сигнал на выходе сумматора 20 соответствует измеряемому сдвигу фаз.Если при дальнейшем изменении,измеряемого фазового сдвига (фиг. 4) получится так, что)1+И (Ч, (13) то на выходе порогового элемента 21 вновь появится импульс и триггер 15 перейдет в нулевое состояние, коммутатор 24 вновь переключится, а управляемый ключ 18 закроется. Входной сигнал Пбудет поступать на вход формирователя 1, минуя Фазосдвигающий блок 23, а напряжение с выхода масштабного преобразователя 26 не будет подаваться на второй вход сумматора 20. Фазометр вновь выйдет иэ зоны неустойчивой работы триггера 14. Если Фазовый Сдвиг М + ьЧ увеличивается до достаточно большой величинытак, чтосоответствующей фазовым сдвигам равным по модулю) 6 ООдновременно с переключением коммутатора 24, триггер 15 открывает ключ 18, и выходной сигнал масштабного преобразователя 26 поступает на второй вход сумматора 20. Если коэф 27 гТгде Т равно 1 Ьу илиТ.Что касается времени задержки 7 и Ф элементов 5 и 6 задержки, то оно выбирается таким, чтобы обеспечить уверенное переключение триггера. 4Перейдя в единичное состояние триггер 15 переключает коммутатор 24, и сигнал 01 поступает на вход формирователя 1 через Фаэосдвигающий блок 23, вносящую дополнительный Фа зовый сдвигЧ причем, должно выполняться условие)Ь 91 Ч . (8)В результате Фазометр выходит из зоны где возможна неустойчивая ра бота триггера 15. При этом сигнал на выходе узла суммирования и усреднения 19 равен то срабатывает пороговый элемент 22, и импульс с его выхода поступает на вход установки нуля триггера 15 и последний переходит в нулевое состояние, переключая коммутатор 24 и закрывая ключ 18. Если же триггер 15 " в нулевом состоянии, то при увеличении сдвига фаз М по модулю до Ч" , состояние триггера 15 не изменится, так как импульс поступивший на вход установки нуля подтвердит нулевое состояние триггера 15.Предложенное устройство имеет повышенную точность определения разности Фаз, при измерении Фазовых сдвигов близких к О, имеет высокое быстродействие определения знака фаз при ее переходе через О. Повышение точности и быстродействия в определении знака измеряемой разности фаз достигается обеспечением независимости результата этой операции от возможного неравенства времен задержек элементов задержки и формированием сигнала, характеризующего знак разности фаз в течение каждого периода входных сигналов.УстройсТво может быть применено в информационно-измерительных приборах и системах для измерения разности фаз между гармони ческими си гн алами .Формула изобретения Фазометр, содержащий первые и вторые формирователи, инверторы элементы задержки, элементы совпадения, элемент логического сложения, узел суммирования и усреднения с дифференциальными входами и индикатор, причем вход второго формирователя подключен ко второму входному сигналу, а выходы первого и второго формирователей подключены ко входам первого и второго инверторов, выходы которых подключены ко входам соответст венно первого и второго элементов задержки и первым входам. второго и первого элементов совпадения, вторые входы которых подключены соответственно к выходам второго и первого 20 формирователей, а выходы - к первому и второму входам элемента логического сложения, о т л и ч а ю ш и йс я тем, что, с целью повышения точности и быстродействия определениязнака сдвига фаз при измерении ма- лых фазовых сдвигов, в него введены третий, четвертый, пятый и шестой элементы совпадения, .первый и второй триггеры, первый, второй,и тре- З тий ключи, первый н второй пороговые элементы, сумматор, масштабный преобразователь, источник опорного напряжения, коммутатор и фаэосдвигающий блок, причем, вход последнего подключен к первому входному сигналу и первому, а выход-ко второму вхо" дам коммутатора, выход которого подключен ко входу первого формирователя, первые входы третьего и четвер 40 того элементов совпадения подключе- ны ко входам первого и второго элементов задержки, вторые - к выходам первого и второго элементов совпа-, дения, а выходы - к первым и вторым входам первого триггера соответственно, причем, первый и второй выходы последнего подключены соответственно к первым входам пятого и шестого элементов совпадения, вторые входы которых подключены к выходу элемента логического сложения, а выходы - ко вторым входам соответственно первого и второго ключей, первые входы которых подключены к выходу источника опорного напряжения, а выходы- соответственно к первым и вторым входам узла суммирования и усреднения, выход которого подключен к входам первого и второго пороговых элементов и первому входу сумматора, выход которого подключен к индикатору, а второй вход - к выходу третьего ключа, первый вход которого через масштабный преобразователь подключен к выходу источника опорного напряжения, а второй - к третьему входу комму" татора и выходу второго триггера, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходам первого и второго пороговых элементов.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Скрипник Ю.А. Повышение точности измерительных устройствКиев,1976, с, 153-154.2, Галахова О,П. , Колтик Е,Д.,Кравченко С,А. Основы фазометрии Л.,Энергияф, 1976, с. 140-141.3. Авторское свидетельство СССРВ 214667, кл. С 01 й 25/00,17.06.68.892344 ушненкова едакто Заказ 11244/б Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 лиал П ВНИИ ПИ по д 13035, МоскСоставитель И. КатановаТехред С.Мигунова Корректор О. Билак Тираж 735 Подписное осударственного комитета СССР ам изобретений и открытий , Ж, Раушская наб., д. 4/5