Измеритель сдвига фаз (его варианты)

 

1. ИЗМЕРИТЕЛЬ СДВИГА ФАЗ; , содержащий подключенный к измери-. тельному входу устройства стробоскопический преобразователь и соединенный с ним аналого-цифровой преобразователь, хЛэдключенный к двум перемножителям, входами соединенными с запоминающим элементом и через . сумматоры - с вычислителем, синхронизатор и формирователь, подключенные ,к опорному входу устройства. дел 1тель частоты, пoдкJ Iючeнный к выходу синхронизатора отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены реверсивный счетчик, делитель с переменным коэффициентом деления, времязадающий делитель, блок пуска, последовательно соединенные триггер, элемент И, счетчик, преобразователь кодов, сумматор с регистром и ; блок сравнения кодов, подключённые к реверсивному счетчику, делителю частоты и запоминающему элементу, реверсивный счетчик соединен с входами триггера, стробоскопического и аналого-цифрового преобразовате-, лей и с выходом счетчика, синхрони-- затор - с входом элемента И, сум- .. матор с регистром - с выходом аналого-цифрового преобразователя, входы делителя с переменным коэффициентом деления соединены с выходами преобразователя кодов и соответственно, причем триггер по входу соединен с аналого-цйфровым преобразователем, делитель с переменным коэффициентом деления - с выходом формирователя, времязадающий делитель входом соединен с делителем с переменным коэффициентом деления , а выходом - с входами вычислителя и блока пуска, выходы которюго соединены с делителем с переменным , коэффициентом деления и элементом И. 2. Измерители сдвига фаз,содержащий стробоскопический преобразователь , аналого-цифровой преобразователь , соединенный с двумя перемножителями , подключенными к первому запоминающему элементу непосредственно , а через два сумматора - к вычислителю , формирователь, синхрони§ затор, соединенный через делитель частоты - с первым запоминающим .элементом, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены генераг тор импульсов, последовательно сое8 е диненные аналоговый сумматор, делитель напряжения, первый преобразователь код - напряжение, второр преобразователь код - напряжение, блок деления и второй запоминающий элемент , последовательно соединенные вычитающий счетчик, первый счетчик, j 4 первый элемент И, второй элемент И, ; второй счетчик и триггер, соединен:о ;ный с первым элементом и, причем ND генератор импульсов соединен с вто:рым элементом И, формирователь по выходу - с входами вычитающего Счетчика , первого элемента И, триггера, а по входу --С выходом синхронизатора , первый счетчик соединен с входом блока деления, выход вычитающего счетчика соединен с входом первого преобразователя код - напряжение, выход синх1 онизатора соединен с входами стробоскопического и аналого-цифipOBoro преобразователей, аналоговый сумматор по входу соединен со стобоско- ;пическим п$)еобразователем,а по выходу с аналого-цифровым преобразователем.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (111

3(59 G 01 R 25/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOIVlV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPHTMA (21) 3408659/18-21 (22) 17.03.82 (46) 07.09. 83, Бюл. 9 33 (72) С.П.Панько,В.И.Ткач и М.К.Чмых (71) Красноярский политехнический институт (53) 621 317.77(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

Р 767664, кл. G 01 R 25/08, 1980.

2. Авторское свидетельство СССР 9 741186, кл . G 01 R 25/00, 1980. (54)(57) 1. ИЗМЕРИТЕЛЬ СДВИГА ФАЗ содержащий подключенный к измерительному входу устройства стробоскопическнй преобразователь и соединенный с ним аналого-цифровой преобразователь, Ждключенный к двум перемножителям, входами соединенными с запоминающим элементом и через сумматоры — с вычислителем, синхро- ниэатор и формирователь, подключенйые,к опорному входу устройства делу1 тель частоты, подк(поченный к выходу .синхронизатора, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повыае-. ния точности измерения, в него введены реверсивный счетчик, делитель с переменным коэффициентом делений, времязадающий делитель, блок пуаха, последовательно соединенные триггер, элемент И, счетчик, преобразователь кодов, сумматор с регистром и; блок сравнения кодов, подключенные к реверсивному счетчику, делителю-:- частоты и запоминающему элементу, реверсивный счетчик соединен с вхо-.. дами триггера, стробоскопического . и аналого-цифрового преобразовате-. лей и с выходом счетчика, синхрони-.".-. затор — с входом элемента И, сум- :-: матор с регистром — с выходом ана-: лого-цифрового преобразователя, вХОды делителя с переменным коэффициентом деления соединены с выхбдами преобразователя кодов и счетчика соответственно, причем триггер по входу соединен с аналого-цифровым преобразователем, делитель с переменным коэффициентом деления — с выходом формирователя, времязадающий делитель входом соединен с делителем с переменным коэффициентом деления, а выходом — с входами вычислителя и блока пуска,,выходы которого соединены с делителем с переменным ,коэффициентом деления и элементом И.

2. Измеритель сдвига фаз,содержащий стробоскопический преобразователь, аналого-цифровой преобразователь, соединенный с двумя перемножителями, подключенными к первому запоминающему элементу непосредственно, а через два сумматора — к вычислителю, формирователь, синхрони- Ф затор, соединенный через делитель частоты - c первым запоминающим .элементом, отличающийся %УФ тем, что, с целью повышения точности измерения, в.него введены генера-; тор импульсов, последовательно соединенные аналоговый сумматор, делитель напряжения, первый преобразова- тель код — напряжение, второй преоб- разователь код — напряжение, блок деления и второй запоминающйй элемент, последовательно соединенные вычитающий счетчик, первый счетчик, .первый элемент И, второй элемент И, второй счетчик и триггер, соединен;ный с первым элементом И, причем генератор импульсов соединен с вторым элементом И, формирователь по выходу — с входами вычитающего счетчи ка, первого элемента И, триггера, а по входу †-с выходом синхронизатора, первый счетчик соединен с вхо- ) Эв дом блока деления, выход вычитающего счетчика соединен с входом первого .преобразователя код — напряжение, выход синхронизатора соединен с входами стробоскопического и аналого-цифрового преобразователей, аналоговый ,:сумматор по входу соецинен со стобоско

:,пическим преобразователем, а по выходу с аналого-цифровым п еобразователем.

1040432

Изобретение относится к электрорадиоизмерительной технике и может быть использован при разработке цифровых фазометров повышенной точности.

Известен цифровой фазометр, содер. жащий стробоскопический и аналогоцифровой преобразователи, синхро-. низирующий и запоминающий блоки, два перемножителя и два сумматора с накопителями, вычислитель, блок 10 регистров с аналого-цифровым преобразователем и блоком регистров )1J .

Недостаток данного устройства заключен в низкой точности измерения обусловленной погрешностью дисЪ кретности.

Наиболее близким к предлагаемому является измеритель сдвига фаэ, содержащий формирователь, аналого цифровой преобразователь, два сумматора, соединенных с вычислителем, 20 последовательно соединенные синхронизатор, делитель частоты и запоминающий элемент, а также два перемножителя, дешифратор, стробоскопический преобразователь, вход которого подключен к измерительному входу устройства, причем синхронизатор соединен своим входом с опорным входом устройства и формирователем входы перемножителей соединены с выхода- 30 ми аналого-цифрового преобразователя и запоминающего элемента, а выходы — с сумматорами, выходы которых подключены к вычислителю, дешифратор соединен . входами с делителем частоты и выходом синхронизатора, а выходом — со стробоскопическим преобразователем, выход ,которого подключен к аналого-цифровому преобразователю, при этом выход формирователя соединен со вто-! рым входом делителя частоты (2) .

Недостаток известного устройстванизкая точность измерения. Поскольку в одном периоде входного сигнала используется лишь один отсчет, то 45 при фиксированном времени измерения, например Тщ „ = рТ (Т вЂ” период входного сигнала; р — количест во точек отсчета ) для получения результата в каждой точке будет 50 использоваться лишь один отсчет, т.е, усреднения не будет.

Цель изобретения -. повышение точности измерения.

Поставленная цель достигается тем (первый вариант), что в измеритель сдвига фаз, содержащий подключенный к.измерительному входу устройства стробоскопический преобразователь и соединенный с ним аналого- ° цифровой преобразователь, подключенный к двум перемножителям, входами соединенным с запоминающим элемен. том и через сумматоры -,с вычислителем, синхронизатор и формирователь„ подключенные к опорному входу устрой-65 ства, делитель частоты, подключенный к выходу синхронизатора, введены реверсивный счетчик, делитель с переменным коэффициентом деления, времязадающий делитель, блок пуска, последовательно соединенные .триггер, элемент И, счетчик, преобразователь кодов, сумматор с регистром и блок сравнения кодов, подключенные к реверсивному счетчику, делителю частоты и запоминающему элементу, реверсивный счетчик соединен с входами триггера, стробоскопического и аналого-цифрового преобразователей и с выходом счетчика, синхронизатор с входом элемента И, сумматор с регистром — с выходом аналого-цифрового преобразователя, входы делителя с переменным коэффициентом деления соединены с выходами преобразователя кодов и счетчика соответственно, причем триггер по входу соединен с аналого-цифровым преобразователем, делитель с переменным коэффициентом деления — с выходом формирователя, времязадающий делитель входЬм соединен с делителем с переменным коэффициентом деления, а выходом - с входами вычислителя и блока пуска, выходы которого соединены с делителем с переменным коэффициентом деления и элементом И.

Причем в измеритель сдвига. фаз (второй вариант содержащий стробоскопический преобразователь, аналого-цифровой преобразователь; соединенный с двумя перемножителями, под. ключенными к первому запоминающему элементу непосредственно, а через два сумматора - к вычислителю, фор" мирователь, синхронизатор, соединенный через делитель частоты - c первым запоминающим элементом, введены генератор импульсов; последовательно соединенные аналоговый сумматор, делитель напряжения, первый преобразователь код — напряже ние, второй преобразователь код— напряжение, блок деления и второй запоминающий элемент. последовательно соединенные вычитающий счетчик, первый счетчик, первый элемент И, второй элемент И, второй счетчик и триггер, соединенный первым элементом И, причем генератор импульсов соединен с вторым элементом И, формирователь по выходу — с входами вычитающего счетчика, первого элемента И, триггера, а по входус выходом синхронизатора, первый счетчик соединен с входом блока деления, выход вычитающего счетчи ка соединен с входом первого преобразователя код — напряженке, выход синхронизатора соединен с входами стробоскопическоГо и аналого-цифрового преобразователей, аналоговый сумматор по входу соединен со стробоскопическим преобразователем, а по

1040432

Р .:Е k„Û n сд дЪ

Ql CtQ p — Х j СО& < GQ д

1=4 выходу — с аналого-цифровым преобразователем.

На фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемого устройства (первый вариант), на фиг. 2 — то же (второй вариант). 5

В первом варианте измеритель сдви.

ra фаз содержит стробоскопический

-преобразователь 1, соединенный через аналого-цифровой преобразователь 2 с перемножителями 3 и 4, которые 10 через сумматоры 5 и 6 подключены к вычислителю 7. Триггер 8 через последовательно соединенные элемент И 9, счетчик 10, преобразователь 11 кодов соединен с сумматором 12, с регистром, который подклЬчен к запоминающему элементу 13 и блоку 14 сравнения кодов. Синхронизатор 15 соединен с делителем 16 частоты. Реверсивный счетчик 17 соединен со счетчиком 10 .

Формирователь 18 соединен через де- Ж : литель 19 с переменным коэффициентом деления с времязадающим делителем 20, который соединен с блоком 21 пуска, а также с вычислителем 7.

Во втором варианте измеритель 25 сдвига фаз содержит стробоскопический преобразователь 1, соединенный через аналоговый сумматор 2 с аналого-цифровым преобразователем 3, который подключен к двум перемножителям 3g

4 и 5, соединенным непосредственно с первым запоминающим элементом 6, а через два сумматора 7 и 8 — с вы-числителем 9, к входу устройства подключен синхронизатор 10, соединенный:gj с формирователем 11,. делитель 12 на- . пряжения соединен через последовательно соединенные первый преобразователь 13 код — напряжение и второй .. преобразователь 14 код - напряжение с блоком 15 деления, соединенным со 4?, вторым запоминающим элементом.16, вычитающий счетчик 17, соединеньйий через последовательно соединенные первый счетчик 18, первый элемент

И 19 и второй элемент И 20, второй,-45 счетчик 21 с триггером 22, генера- . тор 23 импульсов, соединенный со вто.: рым элементом И 20, причем форми- рователь 11 соединен с вычитающим счетчиком 17, первым элементом И 19, .5p триггером 22, первый счетчик 18 сое- . динен с блоком 15 деления, синхронизатор 10 — со стробоскопическим 1 и аналого-цифровым 3 преобразовате-

:лями, а также через делитель 24 час тоты — с первым запоминающим элементом 6.

B первом варианте устройство ра- ботает следующим образом.

Стробоскопический преобразователь

1 производит выборки мгновенных зна-. чений входного сигнала, а аналогоцифровой преобразователь 2 преобразует их в цифровой код. Коды Х с выхода аналого-цифрового преобразователя 2 перемножаются в перемножи- 65 телях 3 и 4 с тригонометрическими коэффициентами Si1l i Qst u cori у 6t, хранящимися в запоминающем элементе 13.

Результаты перемножений суммируются в сумматорах 5 и 6. Результат измерений вычисляется в вычислителе 7.

Таким образом, измеритель реализует цифровой вариант оптимального алгоритма измерения сдвига фаз

Здесь И - интервал времени межжу отсчетами, д: —; у

Т 2Я

I P Ч

Запуск стробоскопйческого 1 и аналого-цифрового 2 преобразователей обеспечивается импульсом с выхода реверсивного счетчика 17.

Формирование этого импульса происходит следующим путем. Синхронизатор 15 является умножителем час тоты входного сигнала. Таким образом на выходе синхронизатора 15 присутствуют импульсы с периодом Ь1 . Эти импульсы непрерывно просчитываются .делителем 16 частоты и, поскольку

:его емкость равна р, то код на выходе делителя 16 частоты соответст-. вует номеру считываемой точки.

В момент запуска стробоскопического 1 и аналого-цифрового преобразователя 2 запускается триггер 8.

После окончания процесса преобразования по импульсу с выхода аналого-цифрового преобразователя 2 триг. гер 8 возвращается в исходное сос тояние. В результате этого в счетчике 10 оказывается записанным число N =- mes<= „. (gt, где m = 0,1.,2..., Аип

О к < р (Т„„-„время аналого-цифрового пре образ ован ия: .

К преобразователю 11 кодОв подключены младшие разряды счетчика 10 „ в которых записывается эначениео .

К реверсивному счетчику 17 подключены старшие разряды счетчика 10, в которых записывается значение Ю

Если Тдц„с д1, то п = О, д = 1.

Это легко обеспечить введением соответствующих задержек, не укаэанных на блок-схеме.

Преобразователь 11 кодов и ре- версивный счетчик 17 в этом случае не оказывают влияния на процесс.

В сумматоре 12 с регистром исходное устанавливается 1, в результате чего весь процесс измерения начинается. с.первой точки. Затем по импульсу конца с выхода аналого-цифрового преобразователя 2 происходит суммирование числа са, записанного в счетчике 10 с числом, хранимым в сумматоре 1 2 с регистром.

1040432

Таким образом, на выходе сумматора с регистр м 12 формируется код очередного отсчета. Этот код сравнивается с кодом текущего отсчета с выхода делителя 16 частоты блоком

14 сравнения кодов, который в Момент 5 их Равенства формирует импульс запуска стробоскопического 1 и аналогоцифрового 2 преобразователей и триггера 8. При c6 = 1 на выходе сумматора с регистром 12,появляются коды, 2 и 3 и т.д., после. каждого срабатывания аналого-w4>poaoro преобразователя 2, т.е. последовательность X сохраняет естественный вид Х, Х, ХЗ ...

При dt Т ц„с2Ь| ближайшим к первЬЙ отсчетной точке является точка с номером 3, поскольку в точке 2 еще не закончилось преобразование, начатое в,точке 1. Таким образом, последовательность отсчетов имеет нид Х,. Х, Х ... Однако не для

1. 2 3, 4 5 б

Выход преобразователя кодов 11

1 2 3 5 5 7 этом случае будет равен 3. Емкость

35 времязадающето делителя 20 выбирается из условий эффективного усреднения. пРИТдц В z,dt(2;= 1,2...) в Различ ных периодах входного сигнала в пре делах одного измерительного цикла в счетчике 10 возможно появление либо И, либо М +1, что сделает из мерение невозможным из-эа большой погрешности. Для устранения этого эффекта в устройстве предусмотрено

45 определение М вне измерительного цикла. После переполнения времязадающего делителя 20, т.е. окончания времени измерения, блок 21 пуска выдает разрешающий потенциал на

5П элемент И 9 на время, достаточное для определения М . После этого разрешающий потенциал снимается, значение N Фиксируется в счетчике

10, в делителе 19 с переменным коэфФициентом деления устанавлинается коэффициент деления. Ноный измерительный цикл проходит при постоянном значении Й

Во втором варианте работа устройства происходит в два этайа — под © готовительном и измерительном.

Во время подготовительного этапа.происходит формирование числа k = Т / P, записываемого в первый счетчик 18. Здесь Ти д — нремя

Я измерения; Т вЂ” период входного

Для других р алгоритм работы

: преобразователя 11 кодов будет отличным от приведенного.

Дпя T цд >Тв О. Значение rA . .пере" носится. в реверсивный счетчик 17.

На его выходе появится импульс запуска через время (Ф+ (k) dt = ЯЬФ.

Например, для р = 16, 1 щд =16, 5dt, тогда rn = 1, ес =О. После первого запуска сумматор 12 с регистром выставит код второй точки на блок

14 сравнения кодов. Через 0,5 dt на делителе 16 частоты появится код второй точки и блок 14 сравнения кодов Формирует. импульс. Запуск устройства произойдет только через период входного сигнала, т.е. в момент вторичного совпадения кодов.

Импульсом в момент первого совпадения кодов значение m в реверсивном счетчике 17 будет уменьшено до нуля. После формирования импульса запуска значение rn в реверсивном счетчике 17 восстанавливается.

Поскольку спрос всех р точек производится за несколько периодов входного сигнала, то время измерения зависит от p . Поэтому в устройство вводится делитель 19 с переменным коэффициентом деления. Из примера для р = 16 видно, что опрос всех точек про за три периода.

Коэффициент. деления делителя 19 с переменным коэффициентом деления н всех р такой порядок отсчетов является наилучшим. Так, например, для р = 16 более целесообразен следующий порядок отсчетов 1,4,7,10, 13,16,3,6,9,12,15,2,5,8,11,14. Далее процесс может быть продолжен н той же последовательности. Целесообразность именно такого расположения отсчетов обусловлена равномерностью интервалов времени между отсчетами, в том 4исле между последним в текущей серии и первым в последующей серии. . Для расматриваемого частного примера p = 16 приведенная последовательность отсчетов является рабочей также для 2 Ь1 Г„ц„с 3 ь .

Таким образом, преобразователь

11 кодов в рассматриваемом примере должен работать в соответствии с таблицей.

7 8 9 10 11 12 13 14 15

7 9 9 11 11 13 13 15 15

10<0432 сигнала. Это происходит следующим образом. С выхода формирователя 11 поступают импульсы, соответствующие положительным нулевым переходам входного сигнала по опорному входу. Триггер 22 устанавливается в единичное сОстояние импульсом с выхода формирователя 11 и открывает первый 19 и второй 20 элементы И. Емкость, второго счетчика 21 определяет время измерения, которое формируется при 10 прохождении через второй элемент И 20 импульсов с генератора 23 импульсов.

После переполнения второго счетчика

21 триггер 22 возвращается в исход ное состояние. Таким образом, первый элемент И 19 оказывается открытым в течение времени измерения, формируемого триггером 22, потому в первом счетчике 18 к концу времени измерения оказывается записанным число

К- . На этом подготовительный этап заканчивается. Во время измерительного этапа триггер 22 блокируется, т.е. состояние первого счетчика 18 не изменяется.

Работа устройства в измеритель- ном этапе.

Импульсы с выхода синхронизатора 10, который является умножите.лем частоты, следуют с периодомЬЬЧ где р — количество точек отсчета, 30 укладывающихся в одном периоде входного сигнала.

Этими импульсами запускаются стро. боскопический 1 и аналога-цифровой

3 преобразователи, которые производят операции квантования по времени и дискретизации по уровню. Таким образом„ на выходе аналого-цифрового преобразователя 3 присутствуют коды мгновенных значений входного сигна- 40 ла в точках отсчета, соответствующих импульсам с выхода синхронизатора 10.

Делитель 24 частоты просчитывает импульсы синхронизатора 10, формируя адрес для первого запоминающего ,элемента 6, в котором хранятся триго-45 нометрические коэффициентй Мп(сааФ..; .соэ GD 64 позволяющие производить. расчет результата измерения вычислителем 9 по формуле и т

Х х;ь п яь1 (2}

„ 4о .Е x„cos i и ьФ

Здесь Х ° — коды с выхода аналого"

55 цифрового преобразователя 3,. 0-< p >

= N/y . В сумматорах 7 и 8 накапливаются соответственно числитель и знаменатель выражения (2/.

Повышение точности измерения пр0- 0 исходит следующим путем.

Если смешать масштабную сетку аналого-цифрового преобразователя 3 на значение Uo /К, О с 1 V. T Uo — квант.-. аналого-цифрово "о преобразователя 3 то окажется, что это эквивалентно использованию аналого-цифрового преобразователя с квантом 0<(k» т.е. повышенной разрядности.

Количество разрядов К вычитающего счетчика 17 равно количеству разрядов первого преобразователя 13 код — напряжение. Значение kт переносится в вычитающий счетчик 17

1 перед началом измерительного цикла.

В процессе измерения при. поступле-. нии с формирователя 11 импульсов число в вычитающем счетчике 17 умень-. шается на единицу за период входного сигнала. Поскольку первый преобразователь 13 код — напряжение является умножающим, то на его выходе формируется ступенчатое напряжение

1 U> /gT, причем длительность ступеньки равйа периоду входного сигнала.

Поэтому все отсчеты входного сигнала, снимаемые в текущем периоде, производятся при неизменном напряжении, смещающим сигнал с выхода стробоскопического преобразователя 1 с помощью аналогового сумматора 2 °

Делитель 12 напряжения необходим для приведения масштабов необходимого напряжения смещения и напряжения с выхода первого преобразователя 13 код — напряжение.

При работе в диапазоне частот К, что вызывает необходимость изменения опорного напряжения для первого преобразователя 13 код — на- i пряжение. Это обеспечивается с по-". мощью блоков 14 — 16. Во втором запоминающем элемент 16 хранится число, равное произведению 0р К . В блоке 15 деления производится математическая операция деления 0О К на k . Поэтому на входы второго преобразователя 14 код — нанряжение поступает код результата деления, который преобразуется в напряжение.

Таким образом, при любых Кт в первом периоде входного сигнала напряжение смещения равно максимальйому . значению, т.е. Ц, а на последнем — нулю.

Применение данных вариантов предлагаемого устройства оценивайт среднеквадратической погрешностью . измерения, которая определяется по формуле 6 0о /" m Кт 6p,тогда ккк для известного устройствав соответствии с выражением

6 = U o I U 4áð .

1040432

1040432

Составитель H. Агеева

Редактор Н. Ковалева Техред"И.Гайду Корректор A. Повх

ЮЮЮ

Заказ 6923/49 Тираж 710 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, И-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. ужгород, ул. Проектная, 4