Устройство для отображения векторных диаграмм на экране элт

 

У :ТРОЙСТВО ДЛЯ ОТОБРАЖЕНИЯ ВЕКТОРНЫХ ДИАГРАММ НА ЭКРАНЕ ЭЛТ, содержащее два амплитудных детектора, вход первого из которых является первым входом устройства, первый измеритель сдвига фаз, входы которого соединены с входами амплитудных детекторов , а выход, - с входом первого синусно-косинусного преобразователя, выходы которого соединены с первыми входами nepBdro и второго умножителей , вторые входы которых соединеныс выходом первогокоммутатора, элемент сравнения, выход которого соединен с управляющим входом первого коммутатора, второй коммутатор, о т л и ч а ю щ е е С я тем, что, с целью расширения области применения устройства путем отображения амплитудно-фазовых соотношений информационных сигналов в виде топографической диаграммы, оно содержит дифференциальный усилитель, третий амплитудный детектор, второй измеритель сдвига фаз, четыре коммутатора, ансшого-цифровой преобразователь, третий и четвертый умножители, второй синусно-косинусный преобразователь , генератор пилообразного напряжения , блок выделения отрицательного фронта, триггер управления и два суммирующих усилителя, причем входы дифференциального усилителя являются и третьам входами устройства , а выход соединен с входом второго амплитудного детектора, первый вход второго измерителя сдвига фаз соединен с первым входом дифференциального усилителя и входом третьего амплитудного детектора, выход которого соединен с первыми входами третьего и четвертого умножителей, вторые входы которых соединены с выхЬдами второго синусно-косинусного преобразователя , вход которого соединен с выходом второго измерит.еля сдвига фаз, второй вход которого соединен с входом первого амплитудного детектора и вторым входом первого измерителя сдвига фаз, выходы первого и i второго амплитудных детекторов соединены с входами аналого-цифрового (Л С преобразователя и с соответствующими входами второго коммутатора, выход которого соединен с первым входом элемента сравнения, первый вход блока индикации соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, второй вход - с выходом первого измерителя сдвига фаз, выход геуератора пилообразного напряжения соединен с вторым входом элемента сравнесо ния, с первым входом первого коммутатора и через блок выделения отрица-ч1 тельного фронта - с входом триггера 00 управления, выход которого соединен с управляющими входами второго, третьего , четвертого, пятого и шестого коммутаторов, выходы первого, второго , третьего и.четвертого умножителей соединены с первыми входами третьего, четвертого., пятого и шестого коммутаторов соответственно, вторые входы первого, четвертого, пятого и шестого коммутаторов объединены, второй вход третьего коммутатора соединен с .выходом первого коммутатора, входы первого суммирующего усилителя соединены с выходами третьего и пятого коммутаторов, а входы второго суммирующего усилителя - с выходами чет

COlO3 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

3(59 О 09 G 1/12 .

4

I:

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTHA (21) 3589597/18-24 (22) 04.05.83 (46) 23.08.84. Бюл. Р 31 (72) A.A.Áàëàáàíoâ и М.Ф.Лисова (71) Московский институт электрон ной техники (53) 681.327.11(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

Р 771706, кл. G 09 В 23/18, 1980, 2, Авторское свидетельство СССР по заявке Р 3403311/18-24, / кл. G 09 G 1/12, 1982 (прототип) . (54) (57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ OTOSPAIKEHHH

ВЕКТОРНЫХ ДИАГРАММ HA ЭКРАНЕ ЭЛТ, содержащее два амплитудных детектора, вход первого из которых является первым входом уст рой ст в а, первый и змеритель сдвига фаз, входы которого соединены с входами амплитудных детек торой, а выход. — с входом первого синусно-косинусного преобразователя, выходы которого соединены с первыми входами первого и второго умножителейй, вторые входы которых соединены с выходом первого . коммутатора, элемент сравнения, выход которого соединен с управляющим входом первого коммутатора, второй коммутатор, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения области применения устройства путем отображения амплитудно-фаз овых соотнош ен и и и н формационных сигналов в виде топографической диаграммы, оно содержит дифференциальный усилитель, третий амплитудный детектор, второй измеритель сдвига фаз, четыре коммутатора, аналого-цифровой преобразователь, третий и четвертый умножители, второй синусно-косинусный преобразователь, генератор пилообразного напряжения, блок выделения отрицательного фронта, триггер управления и два суммирующих усилителя, причем входы дифференциального усилителя являются вторым и третьим ьходами устройст„„SU„„1109786 А ва, а выход соединен с входом второrо амплитудного детектора, первый вход второго измерителя сдвига фаэ соединен с первым входом дифференциального усилителя и входом третьего амплитудного детектора, выход которого соединен с первыми входами третьего и четвертого умножителей, вторые входы которых соединены с выхЬдами второго синусно-косинусного преобразователя, вход которого соединен с выходом второго измерителя сдвига фаз, второй вход которого соедннен с входом первого амплитудного детектора и вторым входом первого измерителя сдвига фаз, выходы первого и второго амплитудных детекторов соединены с входами аналого-цифрового преобразователя и с соответствующиMH входами второго коммутатора, выход которого соединен с первым входом элемента сравнения, первый вход блока индикации соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, второй вход — с выходом первого измерителя сдвига фаз, выход генератора пилообразного напряжения соединен с вторым входом элемента сравнения, с первым входом первого коммутатора и через блок выделения отрицательного фронта — с входом триггера управления, выход которого соединен с управляющими входами второго, третьего, четвертого, пятого и шестого коммутаторов, выходы первого, второго, третьего и,четвертого умножителей соединены с первыми входами третьего, четвертого, пятого и шестого коммутаторов соответственно, вторые входы первого, четвертого, пятого и шестого коммутаторов объединены, второй вход третьего коммутатора соединен с .выходом первого коммутатора, входы первого суммирующего усилителя соединены с выходами третьего и пятого коммутаторов, а входы второго сумми рующего усилителя — с выходами чет1 109 786 вертого и шестого коммутаторов, выходы суммирующих усилителей являютИзобретение относится к средствам обучения и наглядным пособиям для учебных целей и предназначено для отображения на экране осциллографа в виде векторной топографической диаграммы комплексных амплитуд U o u

Йс синусоидальных напряжений U », 1

U s

Векторные диаграммй являются наиболее удобной для учебных целей формой представления напряжений в цепях с синусоидальными источниками энергии и позволяют наглядно представить амплитудно-Фазовые соотношения между напряжениями, проиллюстрировать выполнение законов Кирхгофа.

Известны приборы для измерения амплитудных и действующих значений си.— нусоидальных сигналов и приборы для измерения угла сдвига фаз между двумя синусоидальными напряжениями. Измеренные с помощью этих приборов амплитуды и Фазы напряжений позволяют построить векторные диаграммы (1(.

Однако процесс построения является трудоемким и требует использования чертежных принадлежностей.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство для отображения векторных диаграмм на э кране ЭЛТ, содержащее и змеритель амплитуды и измеритель сдвига Фаз, первые и вторые входы и выходы которых являются соответственно первыми и вторыми входами и выходами устройства, элемент сравнения, выход которого соединен с первым входом измерителя амплитуды, генератор импульсов, переключатель, блок выделения модуля, вход которого соединен с вторым входом измерителя сдвига Фаз, сумматор, первый вход которого соединен с выходом измерителя сдвига

Фаз, счетчик, входы которого соедийены с выходами генератора импульсов и переключателя, а выход — с вторым входом сумматора, первый коммутатор, информационные входы которого соединены с выходами сумматора и счетчика, à y ïðàâëÿþùèé вход — с выходом элемента сравнения, синусно-косинусный преобразователь, вход которого соединен с выходом первого коммутатора, второй коммутатор, информационные входы которого соединены соответственно с первым входом измерителя амплитуды и с выходом блока выделеся первым и вторым выходами устройства. ния модуля, а управляющий вход - с выходом элемента сравнения, два .Умножителя, первые входы которых соединены с выходом второго коммутатора, 5 вторые входы - с выходами синуснокосинусного преобразователя, а выходы являются соответственно третьим и четвертым выходами устройства (23.

Известное устройство осуществляет !

О измерение угла сдвига фаз о(между синусоидальными напряжениями U« (t)

О sinwt и U, s t = 0 8 6 Ф (wt + Ы) р измерение амйлитудных значений U» и

U z и отображение на экране ЭЛТ век15 тоРной диаграммы в полярной системе координат. Таким образом, при отображении комплексной амплитуды 0 не

С5 учитывается (условно принимается за ноль) значение комплексного потенциала Ч6, что существенно ограничивает его демонстрационные возможности ° В, частности, проверяя выполи ени е B T oрого закона Кирхгофа, экспериментатору приходится контролировать на равенство нулю сумму векторов, выходящих иэ начала координат. При большом числе векторов (практически более . четырех) реализация этого контроля трудоемка и требует дополнительных графических-построений, 30

Цель изобретения — расширение области применения устройства путем отображения амплитудно-фазовых соотношений информационных сигналов в ви 5 де топографической диаграммы.

Укаэанная цель достигается тем, что в устройство для отображения векторных диаграмм на экране ЭЛТ, содержащее два амплитудных детектора, вход первого иэ которых является первым входом устройства, первый измеритель сдвига фаз,. входы которого соединены с входами амплитудных детекторов, а выход — c âõoäîì первого синусно-косинусного преобразователя выходы )5 которого соединены с первыми входами первого и второго умножителей, вторые входы которых соединены с выходом первого коммутатора, элемент сравнения, выход которого соединен с уп50 равляющим входом первого коммутатора, второй коммутатор, введены дифферен- циальный усилитель, третий амплитудный детектор, второй измеритель сдвига фаз, четыре коммутатора,- аналого55цифровой преобразователь, третий и четвертый умножители, второй синусно1109 786 косинусный преобразователь, генера.тор пилообразного напряжения, блок выделения отрицательного фронта, триггер управлени я и два суммирующих усилителя, причем входы дифференциального усилителя являются вторым и третьим входами устройства, а выход соединен с входом второго амплитудного детектора, первый вход второго измерителя сдвига фаз соединен.с первым входом дифференциально10 го усилителя и с входом третьего амплитудного детектора, выход которого соединен с первыми входами третьего и четвертого умножителей, BTOрые входы которых соединены с выхода- 15 ми второго синусно-косинусного преобразователя, вход которого соединен с выходом второго измерителя сдвига фаз, второй вход которого соединен с входом. первого амплитудного 20 детектора и вторым входом первого измерителя сдвига фаз, выходы первого и второго амПлитудных детекторов соединены с входами аналого-цифрового преобразователя и с соответствующими 75 входами второго коммутатора, выход которого соединен с первым входом элемента сравнения, первый вход блока индикации соединен с выходом аналого- цифрового преобразователя, второй вход - с выходом первого измерителя сдвига фаз, выход генератора пилообразного напряжения соединен с вторым входом элемента сравнения, с первым входом первого коммутатора и через блок выделения отрицательного фроита-. с входом триггера управления, выход которого соединен с управляющими вхо дами второго, третьего, четвертого, пятого и шестого коммутаторов, выходы первого, второго, третьего и четвер- 40 того умножителей соединены с первыми входами третьего, четвертого, пятого и шестого коммутаторов соответственно, вторые входы первого, четвертого, пятого и шестого коммутаторов 45 объединены, второй вход третьего коммутатора соединен с выходом первого коммутатора, входы первого суммирующего усилителя соединены с выходами третьего и пятого коммутаторов, а 50 входы второго суммирующего усилителя с выходами четвертого и шестого ком-, мутаторов, выходы суммирующих усилителей являются первым и вторым выходами устройства.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства для отображения векторных диаграмм на экране,ЭЛТ; на

Фиг. 2 — временные диаграммй, иллюстрирующие формирование выходных сигналов устройства; на фиг. 3 — вектор- 60 ная топографическая диаграмма напряжений.

Устройство для отображения векторных диаграмм на экране ЭЛТ содержит дифференциальный усилитель 1, входы 65 которого подключены к источнику снгнальногo напряжения Uсиг t = Псв (t)

Выход усилителя 1 соедйнен с входом второго амплитудного детектора 2 и первым входом первого измерителя 3 сдвига фаз, выход которого связан с входом блока 4 индикации и входом первого синусно-косинусного преобразователя 5. Второй вход усилителя 1 подключен к первому входу второго измерителя 6 сдвига фаз, связанного ,своим выходом с входом второго синусно-косинусного преобразователя 7, и к входу третьего амплитудного детектора 8. Вход первого амплитудного детектора 9 соединен с источником опорного напряжения U,„ „() = U„ (t) и вторыми входами первого 3 и второго 6 измерителей сдвига фаз. Выходы амплитудных детекторов 2 и 9 соединены с соответствующими входами двухканального аналого-цифрового преобразователя 10, связанного своим выходом с входом блока 4 индикации, и с информационными входами второго коммутатора 11, выход которого подключен к первому входу элемента 12 сравнения. Генератор 13 пилообразного напряжения подключен своим выходом: к второму входу элемента 12 сравнения, к первому информационному входу .первого коммутатора 14 и .через блок 15 выделения отрицательного фронта к входу триггера 16 управления, выход которого связан с управляющими входами коммутаторов 11, 1720. Первые и вторые выходы синуснокосинусных преобразователей 5 и 7 соединены соответственно с первыми входами умножителей 21-24, а выходы последних с первыми входами коммутаторов 17-20. Выход элемента 12 связан. с управляющим входом первого коммутатора 14, выход которого подключен к вторым входам первого 21 и второго

22 умножителей ° Выход амплитудного детектора 8 соединен с вторыми входами третьего 23 и четвертого 24 умножителей. Входы первого суммирующего усилителя 25 подключены соответственно к выходам коммутаторов 17 и 19, а входы второго суммирующего усилителя

26 - к выходам коммутаторов 18 и 20 причем вторые входы коммутаторов 1720 объединены. ВыходЫ усилителей 25 H

26 соединены с входами Х и У осциллографа.

Устройство осуществляет измерение угла сдвига Фаз at между синусоидальHh1MH напряжениями U a(t) = U a Ôïì и Ua> (г.) U- Sin (ut + at ) измерение амплитудных значений О и 0<з и отображение на экране ЭЛТ комплексных амплитуд U H U в аиде векторной топо» графической дйаграммя.

Рассмотрим работу устройства при реализации перечисленных функций.

1109786

При построении векторных топогра" фических диаграмм в исследуемой схеме выбирается базовый узел О, потенциал которого принимается за ноль, С этим узлом соединяется общая шина устройства. Измерения нотенцалов остальных узлов производятся относительно базового. Отсчет фазовых сдвигов осуществляется относительно фазы потенциала произвольно.с выбираемого узла а, т.е. М = < е . Напряжение 30

U>>(t) = Ч вЂ” р = (=О $,,1 щ называется опорным. Выделение величины

U производится амплитудным детекео тобом 9. Сигнальное напряжение 0 (t) = с 1 е = Осе " (®t + Ы) cHHMaeTcR 15 между йекоторыми узлами с и в с помояаью дифференциального усилителя 1, а выделение его амплитуды ()се осуществляется амплитудным детектором 2, С помощью аналого-цифрового преоб- 20 разоватеня 10 величины U и О е преобразуются в коды и индицируются блоком 4. Измеритель 3 сдвига фаз фиксирует фазовый сдвиг aL между сигнальным и опорным напряжениями. Для ото- 75 бражения вектора сигнального напряжения 0 в топографической форме необ- ходимо иметь координаты его начальной точки, т.е. комплексный потенци в= ре е

Р 30

В этом случае напряжение на выходах суммирующих усилителей 25 и 26 имеют вид (фиг. 2 е,ж) 60 (О при О=О u npu Q = 1 се

"11 = еР«):

1Ü 19 20

Измерение величин V и р осуществляется амплитудным детектором 8 и измерителем 6 фазового сдвига.

Исходными данными для формирования изображения топографической диаграммы являются U, U и Ы, е и

Основой для получейия йесбходимых напряжений раэверток U > и Уч служит пилообразное напряжение e(t) (фиг.2a) 40 вырабатываемое генератором 13. Импульс, генерируемый блоком 15 во время отрицательного фронта напряжения

e(t), меняет состояние триггера 16 управления, который работает в счетном режиме и управляет очередностью формирования иэображений векторов

Lrao и 0се

При нулевом значении выхода Q триг-. гера 16 формируются напряжения U è

U для изображения вектора (Г при единичном — для изображения вектора

U (фиг, 2б), Пилообразное напряжение e(t) элементом 12 сравнения сравнивается 55 с напряжением U, транслнруемым коммутатором 11. Коммутатор управляется сигналом Q с выхода триггера 16 по закону

Выходной сигнал схемы сравнения, является управляющим для коммутатора д

14, напряжение (фиг. 2в) на выходе которого определяется выражением

e(t), при 0„»e(t) е (2) е (t), при 0„с е (t) . Сигнал е (t) умножителями 21 и 22 умножается соответственно на соеа(и еь Ы, вычисляемым синусно-косинус-. ным преобразователем 5, Следовательно, на выхсце умножетелей -21 и 22 формируются напряжения: е (t) сове(и ер() sin@. Причем на основании формулй (1) и (2) при Q = О амплитуда е равна О„„, а nðè Q 1 — U, Умножители 23 и 24 умножают напряжение Че с выхода амплитудного детектора 8 на вычисляемые синусно-косинусным преобразователем 7 тригонометрические функции сов я и в1пр соответственно. Таким образом, умножители 23 и 24 осуществляют преобразование координат начальной точки вектора 0 иэ полярной системы в прясе моугольную (фиг. 2 г, д) (Y>, p) - (9 cos p, 4 sing) Коммутаторы 17- 20 переключаются сигналом с выхода триггера 16 управления: при 0 = 1 коммутаторы пропускают на выходы сигналы с первых входов, а при Я = 0 — сигналы с вторых входов. Следовательно, в интервале единичного состояния триггера 16 на выходах коммутаторов 17-20 формируются напряжения

U„„= ер«) ° cosd;

U = е (t) sin@;

1Е Р

U 19 1в cos /3 I е P

= U,1+ ()19 = e (t) cos g + y совр; ч + П = е (t)s>n + Че$1п p °

1В 2е р

Напряжения 0„и U> подаются на входы Х и Y .осцйллографа, так как при Q = 1 амплитуда е р(t) равна ups на экране ЭЛТ высвечивается вектор, начало которого смещено в точку (Че сов е. Ч sin p), модуль равен 0 а угол с осью ОХ составляет величину

Ы (фиг. 3) .

При нулевом состоянии треггера 16 на выходах коммутаторов 17-20 созда- . ется система напряжений

1109786

В этом случае напряжения на выходах суммирующих усилителей 25 и 26 имеют вид (фиг. 2е, ж) и+ U19 = ер ()

Поскольку при О = 0 амплитуда е ()

P равна U„,, на экране ЭЛТ создается иэображение выходящего из начала ко- 10 ординат, горизонтально ориентированного вектора, модуль которого равен

U (фиг. 3) .

Таким образом, в течение нулевого полупериода сигнала Q на экране ЭЛТ 15 создается иэображение вектора 0 „, а в течение единичного полупериода— иэображение вектора .u . Если частота управляющего сигнала Q превышает 20 Гц, глаз наблюдателя не воспринимает вре 2О менного разделения формирования изображений.

В каждом полупериоде сигнала Q выполняется второе соотношение систе мы (2), так как при правильном выбо- ре предела измерений амплитуды 0 и и не превосходят амплитуды пилообсв разного напряжения. С момента превышения сигналом е (t) величины

U s(.u ) и до конца единичного (нуле- вого) йолупериода напряжения U è U> 3 сохраняют постоянные значения

U „= iP cosy (0);

U = sing(0) .

Следовательно начальные точки векторов О и 0 на отображаемой диаграмме отмечаются ярко светящимися точками . 40

Подключив входы а и 0 устройства к одному иэ элеМентов исследуемой схемы и подавая на входы усилителя 1 последовательно напряжения со .всех остальных элементов, можно 45 получить полную векторную топографическую диаграмму.

Иллюстрация выполнения второго закона Кирхгофа с помощью векторной топографической диаграммы отличается повышенной наглядностью: вектора напряжений элементов схемы, образую-. щих контур, составляют замкнутый многоугольник. Так как последовательность векторов в многоугольнике однозначно соответствует последовательности элементов контура, векторная топографическая диаграмма отражает структуру исследуемой схемы.

Изготовлен макетный образец устройства для отображения векторных диаграмм на экране ЭЛТ. Макет позволяет в наглядной форме представить амплитудно-фазовые соотношения в линей ных цепях переменного тока, в 2-3 раза сокращает время выполнения лабораторных работ, исключает чертежные работы при построении векторных диаграмм. Изготовленный макет устройства имеет следующие основные характеристики: точность измерения амплитуд напряжений 1,5%; точность измерения фазового сдвига (la диапазон амплитуд исследуемых напряжений 1-300 В; частотный диапазон 30-10000 Гцу потребляемая мощность 10 Вт (220 в/50 Гц) габариты 180х200х110 мм.

В качестве базового объекта выбран серийно выпускаемый векторный вольтметр ФК2-12, предназначенный для измерения действующих значений синусоидальных напряжений и угла сдвига фаэ между ними.

Технические преимущества изобретения заключаются в расширении класса решаемых задач за счет построения векторных топографических диаграмм напряжений, уменьшения весогабаритных характеристик и потребляемой. ности цифровая форма представления результатов измерений в предлагаемом устройстве уменьшает погрешности считывания, обеспечивает воэможность со" пряжения со средстваьм цифровой вычислительной техники.

1109 786

Фиг.1 г беар

Фиг.3 фиг,2

Составитель В,Фунтова

Редактор Н,Бобкова Техред N.Íàäü КорректорМ.Шароши

Эаказ 6090/36 . Тираж 447 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

1130.35, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, г, Ужгород, ул. Проектная, 4