Автокомпенсационный фазометр

 

Изо6ретение относится к области измерительной техники, в частности к устройствам для измерения фазы, и может быть использовано в автоком пенсационных фазометрах с цифровым отсчетом. Цель изобретения - повышение точности измерения путем уменьшения погрешности дискретизации. Поставленная цель достигается последовательным включением в один канал известного автокомпенсационного фазометра блока выработки случайного фазового сдвига, а также подключением к выходам устройства блока вычисления среднего значения кодов. При этом измерение фазового сдвига производится многократно. Окончательный результат определяется путем усреднения результатов отдельных измерений . Введение дополнительного случайного фазового сдвига и многократный режим измерения с усреднением результатов значительно уменьшают погрешность дискретизации, обусловленную конечным числом дискретных фазовращателей. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК с51) 4 G 01 В 25 04.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

@<-"- ":(8НR (21) 3667752/24-21, (22) 28.11.83 (46) 23.03.86. Вюл. У 11 (71) Гомельский государственный университет (72) В.А. Яцкевич (53) 621.317.77 (088.8) (56) Глинченко А.С. и др. Цифровые методы измерения сдвига фаз. Новосибирск, Наука, 1979.

Авторское свидетельство СССР

У 278870, кл.. G,Ol R 25/04, 1968. (54 )АВТОХОМПЕНСАЦИОННЦЙ ФАЗОЬПТР (57)Изобретение. относится к области измерительной техники, в частности к устройствам для измерения фазы, и может быть использовано в автоком пенсационных фазометрах с цифровым отсчетом. Цель изобретения — повыЛ0„„1219983 А шение точности измерения путем уменьшения погрешности дискретизации.

Поставленная цель достигается последовательным включением в один канап известного автокомпенсационного фазометра блока выработки случайного фазового сдвига, а также подключением к выходам устройства блока вычисления среднего значения кодов. При этом измерение фазового сдвига производится многократно. Окончательный результат определяется путем усреднения результатов отдельных измерений. Введение дополнительного случайного фазового сдвига и многократный режим измерения с усреднением результатов значительно уменьшают погрешность дискретизации, обусловленную конечным числом дискретных фазовращателей. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

f 12

Изобретение относится к измерительной технике, точнее к устройствам для измерения фазы, и может быть использовано в автокомпенсационных фазометрах с цифровым отсчетом.

Цель изобретения заключается в повышении точности измерения путем уменьшения погрешности дискретизации.

Последовательное включение в один канал известного автокомпенсационного фазометра блока выработки случайного фазового сдвига и подключение к выходам устройства блока вычисления среднего значения кодов компенсации обеспечивает повышение точности измерения за счет уменьшения ошибки дискретизации.

На чертеже представлена структурная схема автокомпенсационного фазометра. газометр содержит блок 1 выработки кодов компенсации, электронные ключи 2, дискретные фазовращатели 3, первую входную шину 4, фазовый детектор 5, первый вход 6 блока 1 выработки кодов компенсации, второй вход 7 блока 1 выработки кодов компенсации, блок 8 формирования пусковых импульсов, блок 9 вычисления среднего значения кодов компенсации, дополнительный выход 10 блока 1 выработки кодов компенсации, формирователь 11 импуль са, индикатор 12, блок 13 выработки случайного фазового сдвига, выход 14 и вход 15 блока выработки случайного фазового сдвига, вторую входную шину 16, блок 17 сложения, разрядные (информационные) входы 18 первого слагаемого, первый регистр 19, второй регистр 20, блок 21 деления, счетчик 22, тактовый вход 23, вход

24 синхронизации, первый 25 и второй 26 элементы задержки, разрядные входы 27 второго слагаемого, управляемый фазовращатель 28, цифроаналоговый преобразователь 29, регистр

30, генератор 31 случайных чисел, первый ключ 32, одновибратор 33, второй ключ 34, генератор 35 тактовых импульсов.

Одни выходы блока 1 выработки ко" дов компенсации подключены к управляющим входам электронных ключей 2, каждый из которых подключен параллельно соответствующему дискретному фазовращателю 3, которые соединены

19983 2

25

45

1О

35 последовательно между первой входной шиной 4 и первым входом фазового детектора 5, выход которого присоединен к первому входу б блока 1 выработки кодов компенсации, второй вход 7 которого подключен к выходу блока 8 формирования пусковых импульсов и тактовому входу блока 9 вычисления среднего значения кодов, информационные входы которого подключены к другим выходам блока 1 выработки кодов компенсации, дополнительный выход 10 которого через формирователь 11 импульса соединен с входом 24 синхронизации блока 9 вычисления среднего значения кодов компенсации, выходы которого подключены к входам индикатора 12, а вход синхронизации блока 9 вычисления соединен с входом синхронизации блока 13 выработки случайного фазового сдвига, вход 15 и выход 14 которого подключены между входом фазового детек тора 5 и второй входной шиной 16.

Блок 9 вычисления среднего значения кодов компенсации содержит блок 17.:сложения, разрядные входы 18 первого слагаемого которого являются информационными входами блока 9, а входы блока 17 сложения подключены k входам первого регистра 19, выходы которого присоединены к входам второго регистра 20 и одним входам блока 21 деления, другие входы которого соединены с выходом счетчика 22, тактовый вход которого является тактовым входом 23 блока 9 вычисления, вход 24 синхронизации которого подключен к входу первого элемента 25 задержки, выход которого соединен с разрешающим входом первого регистра 19 и входом второго элемента 26 задержки, выход которого подключен к разрешающему входу второго регистра

20, выходы которого соединены соответственно с разрядными входами 27 второго слагаемого блока 17 сложения, а выходы блока 21 деления подключены к входам индикатора 12, блок 13 выработки случайного фаэового сдвига содержит управляемый фазовращатель 28, управляющий вход которого подключен к выходу цифроаналогового преобразователя 29, входы которого соединены с выходами регистра 30, информационные входы которого подключены к выходам генератора

31 случайных чисел, а разрешающий

1219983 з вход регистра 30 является входом синхронизации блока 13 выработки случайного фазового сдвига, а блок

8 формирования пусковых импульсов содержит первый ключ 32, подключенный между шиной нулевого потенциала и входом одновибратора 33, выход которого соединен с управляющим входом второго клн1ча 34, вход которого соединен с выходом генератора 35 тактовых импульсов, а выход ключа 34 является выходом блока 8 формирования пусковых импульсов.

Устройство работает следующим образом. 15

Входные гармонические сигналы, фазовый сдвиг между которыми необходимо измерить, поступают на входные шины 4 и 16.

Измерение осуществляется компен- 20 сационным методом с поразрядным уравновешиванием измеряемого фазового сдвига. Поразрядная компенсация производится подключением соответствующих дискретных фазовращате- 25 лей 3 в одном из каналов до обеспечения синфазности входных напряжений на входах фазового детектора

5, при срабатывании которого введенный известный фазовый сдвиг является мерой измеряемого фазового сдвига.

Особенностью устройства является то, что измерение фазового сдвига производится многократно, окончательный результат определяется путем

35 осреднения результатов отдельных измерений. При этом с помощью фазовращателя 28 в блоке 13 в каждом отдельном измерении к фазе сигнала, поступающего на вторую входную шину

16, добавляется дополнительный фазовый сдвиг, значение которого является случайной величиной с известным законом распределения. Случайный фазовый сдвиг сохраняется постоянным

45 в течение времени одного измерения.

Формирование этого дополнительного фазового сдвига производится перед каждым измерением в блоке 13, вход и выход которого включены последова50 тельно с второй входной шиной 16.

Введение дополнительного случайного фазового сдвига и многократный режим измерения с осреднением результатов позволяет значительно умень- 55 шить погрешность дискретизации, обусловленную конечным числом дискретных фаэовращателей 3.

Рассмотрим работу устройства более подробно.

В известном цифровом компенсационном фазометре за счет дискретного характера уравновешивания измеряемый фазовый сдвиг определяется с ошибкой, равной минимальному шагу компенсации где „ „ — измеряемый фазовый сдвиг; — числовое значение уровня дискретизации, при котором производится компенса° -ция; — минимальный шаг компенсак ции; — ошибка дискретизации, максимальное значение которой равно шагу компенсации

Отождествление измеряемого фазового сдвига Ч„ „ производится с ближайшим меньшим уровнем дискретизации с числовым значением к3м

ñàмо же истинное значение лежит иди в пределах ьм П к 1 и ьм < (Н к3 + 1 j 6 V к (2 ) и определяется с точностью, не превьппающей ошибки дискретизации о К °

Для повьппения точности положение Т„ „ между двумя уРовнями дискретизации определяется путем осреднения результатов ь измерений, в каждом из которых измеряемый фазовый сдвиг увеличивается на случайную величину, распределенную по равномерному закону в интерваЛе

О - ам„

Принимая, что: „ „ — измеряемый фазовый сдвиг постоянен в течение п измерений, где и — общее количество измерений; .,„; — зна-. чение случайного фазового сдвига, которое добавляется к измеряемому . фазовому сдвигу при каждом i-м измерении, распределено по случайному Равномерному закону в интерва" ле 0 — бак постоянно в процессе одного измерения, то за время и измерений возможно выполнение одного из условий: н3 к м3м ОА (1 1 ь 3е + 1 ) 6 (3) 1219983

Пусть в результате и измерений суммарной величины („ + Ч,„; ) фазометр и„ раздаст измерения, равные значению (N „+ 1) Ь Р, и

Ь к (n — n„, раз, равные значению 15М

То есть при общем числе измерений и условие (4) выполняется п

1 раз, а условие (3) выполняется (n-n<) раз, и положение измеряемой величины Я между соседними дискИЗм ретными уровнями может быть определено с учетом вероятности

15 и 1 и м 1 к+

Очевидно, что выражение (5) представляет собой среднее значение результатов измерений фазового сдвига к которому добавлен дополнительный сдвиг

30 (6)

Таким образом, введение дополнительного случайного фазового сдвига „; и определение результатов 35 и измерений позволяет в +n раз уменьшить погрешность дискретизации.

Определение значения измеряемого фазового сдвига „ в соответст- 40 вии с выражением (6) в устройстве производится следующим образом.

Входные сигналы поступают на перЪ вую 4 и вторую 16 входные шины.

Измерение начинается с включения первого ключа 32, который запускает одновибратор 33. На входе одновибратора 33 формируется длинный одиночный импульс, который поступает на управляющий вход второго ключа 34 и разрешает прохождение импульсов с выхода генератора 35 тактовых импульсов через ключ 34 на вход блока 8 формирования пусковых импульсов, при этом на выходе блока 8 появляется пачка пусковых импульсов. По окончании импульса на выходе одновибратора

33 ключ 34 закрывается и поступление импульсов на выходе блока 8 формирования пусковых импульсов прекращается. Для появления новой пачки импульсов необходимо произвести повторное включение ключа 32.

Так как по каждому пусковому импульсу в устройстве производится одйо измерение, то период между пусковыми импульсами выбран больше, чем время одного измерения. Последовательное поступление заданного числа и пусковых импульсов с выхода блока 8 обеспечивает автоматическое проведение и измерений.

Пусковые импульсы с выхода блока

8 формирования пусковых импульсов поступают последовательно на второй вход 7 блока 1 выработки кодов компенсации. При поступлении первого пускового импульса блок 1 выработки кодов компенсации начинает формирование компенсирующего кода на своих выходах. Сформированный код компенсации, соответствующий измеряемому сдвигу, фиксируется, т.е. производится однократное измерение. При поступлении следующего пускового импульса блок 1 выработки кодов компенсации вновь начинает свою работу, чтобы произвести новое измерение.

Процесс однократного измерения фазового сдвига заключается в том, что на одних выходах блока 1 формирования кодов компенсации появляется код, который, поступая на управляющие входы электронных ключей 2, вызывает их выключение в соответствии с кодом и обеспечивает тем самым введение компенсирующих фазовых сдвигов с помощью соответствующих дискретных фаэовращателей 3.

Отличительная особенность заключается в том, что при измерении производится компенсации с помощью дискретных фазовращателей 3 измеряемого фазового сдвига ч вместе с дополИЗ 1 нитеЛьным фазовым сдвигом f,, который вводится в канал второго входного сигнала с помощью последовательно включенного блока 13 выработки случайного фазового сдвига.

Таким образом, код компенсации, зафиксированный на выходах блока 1 выработки кодов компенсации по окончании каждого измерения соответствует величине (Т„ + 1", ).

После окончания каждого измерения на дополнительном выходе 10 бло7 I ка 1 выработки кодов компенсации появляется сигнал, который поступает на вход формирователя 11 импульса, на выходе которого по переднему фронту входного сигнала формируется одиночный импульс. Этот импульс поступает на вход синхронизации блока

13 выработки случайного фазового сдвига, вызывая установку нового случайного фазового сдвига У ;, который вводится в блоке 13 между второй входной шиной 16 и вторым входом фазового детектора 5. Поскольку на дополнительном выходе 10 сигнал появляется после каждого измерения, то и установка случайного фазового сдвига производится после каждого измерения, причем каждый раз значение этого сдвига меняется по равномерному случайному закону. В качестве второго входа 7 и дополнительного выхода 10 использованы соответственные входы "Пуск" и "Стоп" известного устройства.

Одновременно одиночный импульс с выхода формирователя ll импульса поступает на вход 24 синхронизации блока 9, где производится вычисление среднего значения для и измерений. Это осуществляется следующим образом.

Результат первого измерения И„ „, в виде кода поступает на информационные входы блока 9 вычисления среднего значения кодов компенсации, которыми являются разрядные входы

18 первого слагаемого блока 17 сложения, и появляется на .входах блока

17 сложения, так как на разрядные входы 27 второго слагаемого поступает нулевой код. С выходов блока

17 сложения код N „, поступает

:на входы первого регистра 19. Одновременно одиночный импульс, поступающий на вход 24 синхронизации, задерживается в первом 25 элементе задержки и с его выхода поступает на разрешающий вход первого регистра 19. При его поступлении в первый момент происходит занесение в первый регистр .19 кода Н „ с выходов блока 17 сложения. В следующий момент код N„ „ с выхода первого регистра 19 поступает на одни входы блока 21 деления и входы второго регистра 20, занесение в который производится по разрешающему импульсу, поступающему с выхода второго элемента 26 задержки. В следующий мо219983 .Я

i5

55 мент код N с выходов второго и м р регистра 20 поступает на разрядные входы 27 второго. слагаемого.

По второму пусковому импульсу производится второе измерение, результат которого N „ „ в виде кода вновь поступает на разрядные входы 18 первого слагаемого блока 17 сложения, где складывается со значением N„

Результат сложения с выхода блока

17 сложения заносится в первый регистр 19, а затем и во второй регистр

20 в моменты прихода разрешающего импульса с выхода первого 25 и второго 26 элементов задержки на соответствующие разрешающие входы. После этого результат измерения (М„,, +

+ N„ > ) с выхода регистра 20 поступает на разрядные входы 27 второго слагаемого блока 17 сложения.

После третьего измерения в блоке

17 сложения вновь производится сложение результата третьего измерения с результатами двух предыдущих, а суммарный результат вновь последовательно заносится в первый 19 и второй 20 регистры.

Таким образом, после проведения и измерений суммарное значение всех результатов измерений (N„ „I + N „ „ +

+... Nag„ „ ) оказывается записайным в регистрах 19 и 20, а с выхода первого регистра 19 код этого значения поступает на одни входы блока

21 деления, на другие входы которого с выхода счетчика 22 поступает код, соответствующий числу проведенных измерений и. Код этого числа образовывается в счетчике 22 за счет поступления на его вход тактовых импульсов с выхода блока 8 формирования пусковых импульсов. По этим пусковым импульсам одновременно производится и измерений и заполнение счетчика 22. В блоке 21 деления осуществляется деление суммы результатов измерений на количество проведенных измерений, т.е. вычисляется сред" нее значение результатов измерений в соответствии с выражением (6). Частное от этого деления, соответствующее измеряемому значению фазового сдвига, поступает на входы блока индикации, который осуществляет его визуализацию.

Введение дополнительного фазового сдвига p ., который складывается с измеряемой разностью фаз, производится в устройстве с помощью

19983 10 формула изобретения

9 12 блока 13 выработки случайного фазового сдвига, вход 15 и выход 14 которого включены последовательно меж,цу второй входной шиной 16 и вторым входом фазового детектора 5. Блок выработки случайных фазовых сдвигов обеспечивает при каждом измерении . фазовый сдвиг, значение которого является случайной величиной, равномерно распределенной в интервале

0 - A Р„, и работает следующим образом, При поступлении с выхода формирователя ll одиночного импульса на его синхронизирующий вход, которым является разрешающий вход регистра

30, в регистр 30 заносится код случайного числа, который поступает в данный момент на его входы с выхода генератора 31 случайных чисел.

Код случайного числа, зафиксированный в регистре 30, поступает на вход цифроаналогового преобразователя 29, на выходе которого форми-. руется напряжение, соответствующее случайному числу. Это напряжение поступает на управляющий вход фазовращателя 28, который и устанавливает случайный фазовый сдвиг сл.

Значение этого фазового сдвига сохраняется постоянным, пока не произойдет изменение кода, записанного в регистре 30. Занесение нового случайного числа в регистре 30 производится только при поступлении импульса на его. разрешающий вход с выхода формирователя 11, т.е. после каждого измерения. Разрядность регистра 30 и цифроаналогового преобразователя 29 и диапазон изменения фазы фазовращателя 28 выбраны таким образом, что обеспечивают изменение случайного напряжения на выходе о цифроаналогового преобразователя

29 так, чтобы управляемый фазовращатель 28 вносил фазовый сдвиг в пределах 0 — Ь „.

При проведениибольшего количества измерений ошибка дискретизации уменьшается пропорционально корню квадратному из числа измерений и при значительных количествах измерений может быть практически исключена.

Указанное техническое преимущество позволяет повысить точность измерения цифровых Фаэометров компенса-. ционного типа за счет уменьшения ошибки дискретизации.

t5

1. Автокомпенсационный фаэометр, содержащий блок выработки кодов компенсации, электронные ключи, дискретные фазовращатели, фазовый детектор, блок формирования пусковых импульсов и индикатор, причем одни выходы блока выработки кодов компенсации подключены к управляющим входам электронных ключей, каждый из которых подключен параллельно соответствующему дискретному фазовращателю, которые соединены последовательно между первой входной шиной и первым входом фазового детектора, выход которого присоединен к первому входублока выработки кодов компенсации, второй вход которого поключен к выходу блока формирования пусковых импульсов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения путем уменьшения погрешности дискретизации, фазометр дополнительно содержит блок выработки случайного фазового сдвига и блок вычисления среднего значения кодов компенсации, тактовый и информационные входы которого присоединены к второму входу и другим выходам блока выработки кодов компенсации, дополнительный выход которого через введенный формирователь импульса соединен с входом синхронизации блока вычисления среднего значения кодов компенсации и входом синхронизации блока выработки случайного фазового сдвига, у которого выход и вход подключены соответственно к второму входу фазового детектора и второй входной шине, а выходы блока вычисления среднего значения кодов компенсации подключены к входам индикатора.

2. фазометр по п. 1, о т л и ч аю шийся тем, что блок вычисления среднего значения кодов компенсации содержит блок сложения, разрядные входы первого слагаемого которого являются информационными входами блока вычисления среднего значения кодов компенсации, а выходы блока сложения подключены к входам первого регистра, выходы которого присоединены к входам второго регистра и одним входам блока деления, другие входы которого соединены с выходом счетчика, тактовый вход которого является тактовым входом всего блока вычисления среднего значения кодов!

2!9983

Составитель Ю. Макаревич

Редактор P. Цицика Техред В.Кадар Корректор Г, Решетник

Заказ 1319/53 Тираж 728 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 компенсации, вход синхронизации которого подключен к входу первого элемента задержки, выход которого соединен с разрешающим входом первого регистра и входом второго элемента задержки, выход которого подключен к разрешающему входу второго регистра, выходы которого соединены соответственно с разрядными входами второго слагаемого блока сложения, а выходы блока деления являются выходами блока вычисления среднего значения кодов компенсации.

3. Фазометр по п. 1, о т л и ч аю шийся тем, что блок выработки случайного фазового сдвига содержит управляемый фазовращатель, вход и выход которого являются соответственно входом и выходом всего блока, а управляющий вход подключен

1 к выходу цифроаналогового преобразователя, входы которого подключены к выходам регистра, информационные входы которого подключены к выходам генератора случайных чисел, а разрешающий вход регистра является входом синхронизации блока выработки случайного фазового сдвига.!

О 4. Фазометр по п. l, о т л и ч аю шийся тем, что блок формирования пусковых импульсов содержит первый ключ, подключенный между шиной нулевого потенциала и входом

15 одновибратора, выход которого-соединен с управляющим входом второго ключа, вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, а выход второго ключа является

20 выходом блока формирования пусковых импульсов.