Устройство для отображения векторных диаграмм на экране электронно-лучевой трубки
Изобретение относится к средствам обучения и наглядным пособиям для учебных целей и предназначено для отображения векторной топографической диаграммы напряжений и/или векторной диаграммы токов. Цель изобретения - повышение точности устройства и расширение класса решаемых задач путем отображения векторных диаграмм токов для иллюстраций первого закона Кирхгофа. Цель достигается отображением на экране ЭЛТ нескольких векторов, выбираемых исследователем по собственному усмотрению, что полностью исключает графические работы по формированию диаграмм, позволяет выделить и наглядно представить амплитудно-фазовые соотношения между напряжениями и токами в анализируемом фрагменте схемы. 1 з.п. ф-лы, 2 ил. (О (Л со О5 о to
СОЮЗ СОВЕТСНИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (5и 4 G 09 G )/08
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ
К А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (2)) 3895531/24-24 (22) 14.05.85 (46) 07.06.87. Бюл. № 21 (7)) Московский институт электронной техники (72) А.A.Áàëàáàíîâ и M.Ô.Ëèñoâà (53) 681.327.) (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР №- 1062765, кл. G 09 G 1/)2, 1982.
Авторское свидетельство СССР № 1109786, кл. G 09 G 1/12, 1983. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТОБРАЖЕНИЯ ВЕКТОРНЫХ ДИАГРАММ НА ЭКРАНЕ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ТРУБКИ (57) Изобретение относится к средствам обучения и наглядным пособиям для учебных целей и предназначено
Л0 1 16027 А1 для отображения векторной топографической диаграммы напряжений и/или векторной диаграммы токов. Цель изобретения — повышение точности устройства и расширение класса решаемых задач путем отображения векторных диаграмм токов для иллюстраций первого закона Кирхгофа. Цель достигается отображением на экране ЭЛТ нес" кольких векторов, выбираемых исследователем по собственному усмотрению, что полностью исключает графические работы по формированию диаграмм, позволяет выделить и наглядно представить амплитудно-фазовые соотношения между напряжениями и токами в аналиЖ зируемом фрагменте схемы. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
1316027
Изобретение относится к средствам обучения и пособиям для учебных целей и предназначено для отображения векторной топографической диаграммы напряжений и/или векторной диаграммы 5 токов.
Цель изобретения — повышение точности устройства и расширение класса решаемых задач путем отображения векторных диаграмм токов для иллюстрации первого закона Кирхгофа.
На фиг.1 представлена функциональная схема устройства; на фиг.2 — отображение вектора напряжения на комплексной плоскости.
Устройство содержит второй коммутатор 1, преобразователь 2 ток — напряжение, дифференцирующий усилитель
3, первый амплитудный детектор 4, первый измеритель 5 сдвига фаз, индикатор 6, блок 7 оперативной памяти, второй измеритель 8 сдвига фаз, второй амплитудный детектор 9, аналогОцифровой преобразователь 10, регист25 ры 11 — 14, блок 15 управления, первый
16 и второй 17 цифроаналоговые преобразователи (ЦАП), первый 18 и второй
19 умножители, первый 22 и второй 23 синусно-косинусные преобразователи, третий 24 и четвертый 25 умножители, первый блок 26 сравнения, первый коммутатор 27, генератор 28 тактовых импульсов, первый счетчик 29, ЦАП 30, первый триггер 31, второй счетчик 32, элемент ИЛИ-НЕ 33, второй блок 34
35 сравнения, элемент ИЛИ 35, адресный вход 36, элемент И 37, управляющий вход 38, а также второй 39 и третий
40 триггеры. Блок 15 управления содержит преобразователь 41 кодов и регистр 42.
Кроме того, устройство имеет первый 43, второй 44 и третий 45 информационные входы и выходы 46 и 47.
Устройство осуществляет измерение угла сдвига фаэ между синусоидальными напряжениями UoÄ (t)=V„ sinxt u
"о си (t)=V11 sin(u>t+of ; ) или между напряжением lJo> (t) и током i; (t)
=Т; sin(yt+ g, ), измерение амплитуд11 11 ных значений напряжений и токов, отображение на экране ЭЛТ анализируемых фрагментов векторной топографической диаграммы напряжений и/или
55 векторной диаграммы токов.
Устройство работает следующим образом.
При построении векторных топографических диаграмм напряжений в исследуемой линейной схеме выбирается базовый узел "0", потенциал которого принимается за ноль. С этим узлом соединяется общая шина 47 устройства.
Измерение потенциалов остальных узлов производится относительно базового. Отсчет фазовых сдвигов осуществляется относительно фазы потенциала произвольно выбираемого узла of, т.е.
= fffÄ e . Напряжение U„(t)
= Ч sinfdt называется о опорным. Сигнальное напряжение UÄ (t):
=Ч„ sin (ыС+Ы„ ) снимается между некоторыми узлами и и m.
Положение символа V„ff, на комплексной плоскости однозначно определяется четырьмя координатами (фиг.2). Воэ можно задание координат в прямоугольной и полярной системах. В данном случае рациональным следует считать следующий набор координат: (Ч„,o(„ ); (Ц, k ). Первая пара координат является выходными данными вольтметра и фазометра, получение второй пары аналогично первой.
На векрторной диаграмме токов символы всегда выходят иэ начала координат. Поэтому для отображения символа тока I>m достаточно двух координат
Т„, с „, которые измеряются следующим образом. При измерении координат символов напряжений коммутатор 1 подключает неинвертирующий и инвертирующий входы дифференциального усилителя 3 к входам 43 и 44 устройства, а входы и выход преобразователя
2 ток — напряжение отключается.
Входы 43 и 44 устройства соединяют с некоторыми узлами и и m анализируемой схемы. На выходе дифференциального усилителя 3 формируется напряжение U „,(С) = Ц„ — g =Ч„„„ х х sin( С помощью аналого-цифрового преобразователя IO величины V и преобnm разуются в коды. Измеритель 5 фазового сдвига фиксирует фазовый сдвиг И„ между сигнальным U„(t) и опорным U (t) напряжением, а измеритель 8 <о фазового сдвига — фазовый сдвиг между потенциалом q и опорным напряжением Uof (t). Коды величин Ч,„ и Ы„„,индицируются индикатором 6. 1316027 При измерении координат символов токов коммутатор l подключает входы преобразователя 2 ток — напряжение к входам 43 и 44 устройства, инвертирующий вход дифференциального усилителя 3 — к общей шине 47 устройства, а вход преобразователя 2 к неиннертирующему входу усилителя 3. Для измерения амплитуды и фазы тока соответствующая ветвь анализируе- 10 мой схемы разрывается, а входы устройства включаются н разрыв. Напряжение на выходе амплитудного детектора 4 пропорционально амплитуде тока I, напряжение на выходе де- 15 тектора 9 равно нулю, а измеритель 5 фазового сдвига фиксирует величину фазового сдвига Ы между током i„ (t) в ветви nm и опорным напряжением (t). Величина фазового сдвига на 20 с о выходе измерителя 8 не определена, так как сигнальный вход измерителя соединен с обшей шиной. Однако значение этого фазового сдвига и данном случае несущественно, поскольку диаграммы токов не могут быть топографическими (начало вектора тока всегда находится в начале координат символов или токов). Координаты отображаемых символов записываются в блок 7 оперативной памяти. Затем осуществляется циклическое считывание содержимого оперативной памяти. После считывания по адресу i очередной четверки коорди- 35 нат символа напряжения Ч„ .fV Ч,с „,„ или символа тока I„ ; (о,х, I, „ )формируется соответствующая система развертывающих напряжений U » Uy. Согласно методу функциональ-40 ных напряжений для создания на экране ЭЛТ с электростатическим управлением изображения символа с координатами,, V„, Ы„ на отклоняющие пластины ЭЛТ необходимо по- 45 дать систему сигналов "х = q cos ò + ер () соэ 4ип (1) Uy = Ч sin a + ер (t) sino, 50 где е (t) — напряжение развертки, имеющее амплитуду Ч„ . Координаты Ы, Чим, о п считываются из блока 7 оперативной памяти в регистры ll — 14. Преобразование цифровой формы представления и V в ана р nm логовую реализуется с помощью ЦАП 16 и 17. Тригонометрические функции углов Д и с „ воспроизнодятся синусно-косинусными преобразователями 22 и 23. Вычисление первых слагаемых q cos Ы и q sin d системы развертывающих напряжений U, и Б„ осуществляются с помощью умножителей 18 и l9 соответственно. Основной для получения напряжения развертки е (t) Р служит пилообразное напряжение е (t), Р аппроксимируемое ступенчатым сигналом е (t), вырабатываемым генератором 28, счетчиком 29 и ЦАП 30. Содержимое счетчика 29 н интервале развертки ступенчато изменяется от О до 2n (n — число разрядов) за счет поступления на вход импульсов с выхода генератора 28. ЦАП 30 преобразует содержимое счетчика 29 в напряжение е (t). Сигнал е, (t) являечся, таким образом, ступенчатым. При n 7,8 дискретность иэображения некторан, вызванная ступенчатым характером изменения развертывающего напряжения, зрительно не воспринимается. Сигнал e (t) блоком 26 сравнения сравнивается с напряжением Unm. Выходной сигнал блока 26 сравнения является управляющим для коммутатора 27, напряжение на выходе которого определяется выражением е т (t) при V„ е т (t) е (а)= (2) 0 при V, < e„(t) Напряжение eq(t) подается на аналоговые входы умножителей 24 и 25, на цифровые входы которых поступают коды тригонометрических функций сos a „ sin d, . Таким образом, на выходах суммирующих усилителей 20 и 2l формируется система развертывающих напряжений U„ è Uy создающая изображение символа Ч„ . Амплитуда E c neH oto Hsn s eHHs e« (t) определяется выражением 2" — 1 Е = Š— ----х Е 0 2Р О При правильном выборе предела измерений должно выполняться условие Ч „ (Е. Следовательно, в интервале развертки всегда выполняется второе соотношение системы (2). С момента превышения сигналом е (t) амплитуды V„ и до конца интервала развертки напряжения П» и U> ñoõðàíÿþò постоянные значения cos s U> = sin Ы. 1316027 Таким образом, начальная точка вектора отмечается на экране ярnm ко светящейся точкой. Процесс считывания координат из блока 7 оперативной памяти и формиро- 5 вание соответствующей системы развертывающих напряжений U> è Ly циклически повторяются для всех i E f О, N-I), где 11 — общее число ячеек оперативной памяти. Рассмотрим более подробно адресацию оперативной памяти и выработку управляющих сигналов при записи и чтении координат символов. Полный цикл работы устройства состоит из N интервалов, каждый из которых вклют интервал обращени» к блоку опе— р;1тиг1ной памяти и интервал развертки. Номер интервала равен адресу ячейки, к которой происходит обращение. В каждом интервале обращения к операг п ной памяти происходит считывание .;сорди гат символа в регистры 11 — 14 . Г ализаци» считывания требует форми25 ро;; и» у> равляющих сигналов. Сигнал Чт/3 и (чтения/записи) задает режим работы оперативной памяти. Сигнал ВК (выбора кристалла) осуществля.т стробирование памяти (информация |шкод памяти присутствует в те— чепце высокого уровня ВК). По переднему фронту сигнала стр.КС происходит занесение координат в регистры !! — 14. При записи координат символа в память ему (символу) присваивается некоторый номер j. При этом в j — ом инте!>вале обращения к памяти операции считывания предшествует операция записи. Для обеспечения контроля записи координат символов в память нулевая ячейка выделена для вектора-метки. Вектор-метка — это вектор напря:кения или тока, подаваемого на сигпальные входы устройства. В нулевом интервале обращения к памяти в каждом цикле происходят запись и чтение координат. Таким образом, координаты вектора-метки транслиру тся через 50 блок 7 оперативной памяти в регистры 11 — 14 в каждом цикле работы устройства. Вектор-метка всегда отображается на экране ЭЛТ. Подключая входы устройства к узлам исследуемой схемы экспериментатор может последовательно во времейи просмотреть интересующую его векторную диаграмму. Для одновременного отображения на экране ЭЛТ нескольких векторов их координаты предварительно должны быть записаны в оперативную память. Заносимую в память вектору с помощью переключателя адреса (не показан) к входу 36 присвоится номер К от 1 до N-1. Номер К вектора равен адресу ячейки памяти, в которую производится запись координат. Входы устройства подключаются к узлам исследуемой схемы, в результате чего на экране ЭЛТ появляется изображение соответствующего вектора-метки (не показан). После нажатия переключателя записи сигнал подается к входу 38 и координаты данного вектора заносятся в ячейку К, адрес которой равен присвоенному вектору номеру. После записи в память яркость иэображения вектора увеличивается, так как он отображается в полном цикле работы дважды. в виде вектора-метки, поскольку сигнальные выводы еще подключены к узлам схемы, и в виде отображаемого вектора, координаты которого находятся в К-й ячейке. Увеличение яркости изображения записываемого вектора служит экспериментатору подгверждением правильной записи. 3атем входы устройства подключаются к другой паре узлов схемы. На экране появляется изображение соответствующего вектора-метки. Если экспериментатор принимает решение о записи его координаты в память, он присваивает вектору с помощью переключателя номер и нажимает переключатель записи. В результате последовательного просмотра векторов и записи координат интересующих векторов в память на экране формируется иэображение векторной диаграммы. Формирование управляющих сигналов, обеспечивающих описанный процесс, происходит следующим образом. Интервал обращения к оперативной памяти инициируется отрицательным фронтом сигнала старшего разряда счетчика 29. Отрицательный фронт появляется в момент переполнения счетчика 29, т.е. в момент завершения интервала развертки. По данному фронту содержимое счетчика адреса 32 увеличивается на единицу, а триггер 31 устанавливается в единичное состояние. Высокий уровень сигнала на прямом выходе триг1316027 гера 31 принудительно удерживает счетчик 29 в нулевом состоянии, блокируя тем самым выработку разверты — вающего напряжения е (t). Низкий ст уровень сигнала на инверсном выходе триггера 31 разрешает блоку 15 управления выработку управляющих сигналов. Входной сигнал блока управления определяется выражением A = Z < Q "зап", где Z — логический признак нулевого содержимого счетчика 32; логическии признак равенства содержимого счетчика 32 f5 и кода, заданного переключателем адреса; !! !! зап — ло гич е с к ий и р11 з н а к з; и,ну того ко итак та переключателя записи . Значение переменной А определяет две возможные последовательности вырабатываемых управляющих сигналов. При А=О формируется совокупность сиг25 налов, реализуюпих чтение координат вектора из памяти в регистры и переход к интервалу развертки. Переход к интервалу развертки осушествляется обнулением триггера 31 си1налом R. Перевод триггера 31 в нулевое состоя30 ние блокирует работу блока управления и разрешает формирование развертывающего напряжения е .,(Г). При A=1 описанной последователь— ности сигналов предшествуст последовательность, обеспечивающая запись координат в оперативную память. Блок 15 управления представляет собой синхронный последовательный автомат, реализованный на преобразователе 41 кодов и регистре 42. Смена состояний блока 15 управления синхронизируется отрицательными фронтами импульсов с генератора 28. Число состояний блока 15 управле— ния (как конечного последовательного автомата) определяется по последовательности управляющих сигналов. Обращение к памяти по записи беэусловно происходит по нулевому адресу, что обеспечивает запись в нулевую ячейку координат вектора-метки, и/или при условии нажатой кнопки tt tt Запись по адресу, заданному переключателем. Логический признак "2" формируется элементом ИЛИ-НЕ 33, блоки 34 сравнения вырабатывают признак равенства Q содержимого счетчика 32 и кода на выхоле переключателя адреcd (вход 36) . Призн 1К "Зап" вырабатывается на входе 38. !Iа триггерах 39 и 40 (D-три! гсрах) реализован ждущий czIHxpoHHI III мультивибратор. В качестве тактового сигнала, определяюпего длительнос ть фс p IHpt, c»oi-o мультивибратором импульс,, используется сигнал старшего разряда счетчика 32. В установившемся режиме, как при цулегом, так и при единичном уровнях сигнала на С-входе триггера 39, оба триггера находятся в пулевом состояtt tt нии, т. е. Зап =О. Это состояние устойчиво. При нажатии переключателя (1«ход 38) Га С вЂ” -х >;.! D — -, рtlI I ера 39 !!оявляется пс pcHclH 1 - О . ПО;:О lьк : Hli D I«ëOII НО!111! Г HI I! 1„.! IIO ги !! ческltl 1, триг1 ер 39 устанзвли1«лет= ся H един!1чнос состоя!и«o Ä 3апоминая Гем самым факт н;-ж;1ти11 Ht. рек;1ючателя. IlpH 1!Оя1«ленин на Г-1«хо,lt. D-триг-.сра «О актив!!о1 о перепада "1" - "О" в р. -«ультате HHêHTHtl пер! I,".Гючатt ..1я i PH1 ГОР 11 ЕРЕХО11!! В O Ц111!1! 111ОЕ CO C ГО Я «tt !! l!!1!. (3аГ. =1) и, I ак Г1едстl«!Iе этоГО, Обнуляет триггер 39. Таким обр"«nм, к мо. е1!ту следующеГО:11i ти1«нОГo Г«е Реп;111з 0 HH . аl тОВ01 11:.Оде триГ Гcp;! 4С! 11 D 1«хО Ht триггера уст!111;!1«.!1!!1«ается сигнал «! tt ло г 11ч е с ко г о 0, в ре з ул ь !Г а т е ч е г о тр1гггер возвращ!аеTcя I«исходное нулеpoе coc Toÿíèå. Следовательно, ждуший синхрон11ый мультги«11братор на триггера.: 39 и 40 по накатию переключателя записи (вход 38) выраба тывает с д1гноч-!! !! 11ый импульс 3 ап длительностью, р а в« О и периоду тактового сигнала н а С - вхо де триггера 4 О, т . е . дл и т ельн О с ти полно го цикла работы у с т р о и с тв а . Н а положит ель ный перепад на Свходе триггера 3 9 мул ь ти ви б ра то р н е реагирует, так к ак этот перепад н е я вля е т с я активным для триггера 3 9 . Эл емен т И 3 7 выр а б а тыв а е т сигнал II «! Q ° 3ап, а элемент 3 5 логически с уммируе т сигнал Z u Q . 3 а п, так к а к признак Q периодически принимает единично е значение в каждом цикле в п р еделах интервала, номер которого со впадает с выходным кодом и е реключат еля адреса (вход 3 6 ), а признак " 3 ап "1 в течение одного полного цикла работы устройства после нажатия пе реключ а теля записи, то слагаемое Q " 3 а п " однократно принимает единичное з на ч ение в ближайшем по сл е нажатия п е р е к1316027 l0 лючателя интервале, номер которого равен установленному переключателем адресу вектора. Описанной синхронизацией обеспечивается однократная запись координат по выбранному адресу 5 оперативной памяти. Таким образом, предлагаемое устройство измеряет угол сдвига фаз между синусоидальными напряжениями, угол сдвига фаз между током и напряжением, амплитудные значения напряжений и токов, а также отображает на экране ЭЛТ векторную топографическую диаграмму напряжений и/или диаграмму токов, состоящих из N векторов, и позволяет формировать на экране ЭЛТ изображение совокупности символов напряжений и токов, что обеспечивает наглядную иллюстрацию выполнений обоих знаков Кирхгофа. Создание на экране ЭЛТ нескольких векторов, вы— бираемых исследователем по собственному усмотрению, полностью исключает графические работы по формированию диаграмм, позволяет выделить и наглядно представить амплитуднофазовые соотношения между напряжениями и токами в анализируемом фрагменте схемы. формула изобретения l. Устройство для отображения векторных диаграмм на экране электронно-лучевой трубки, содержащее два ам- З5 плитудных детектора, дифференцирующий усилитель, выход которого соединен с входом первого амплитудного детектора и первым входом первого измерителя сдвига фаэ, второй вход ко40 торого и первый вход второго измерителя сдвига фаз являются первым информационным входом устройства, выходы амплитудных детекторов соединены с входами аналого-цифрового преоб45 раэователя, два синусно-косинусных преобразователя, выходы первого соединены с первыми входами первого и второго умножителей, а выходы вто50 рого — с первыми входами третьего и четвертого умножителей, вторые входы которых подключены к выходу первого коммутатора, управляющий вход которого соединен с выходом первого «55 блока сравнения, два суммирующих усилителя,.выходы которых являются соответственно выходами напряжений отклонения луча по координатам Х и У устройства, и второй коммутатор, выход первого измерителя сдвига фаз и первый выход аналого-цифрового преобразователя соединены с индикатором, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности устройства и расширения класса решаемых задач путем отображения векторных диаграмм токов для иллюстраций первого закона Кирхгофа, оно содержит преобразователь ток — напряжение, входы которого соединены с первым и вторым входами второго коммутатора, информационные входы которого являются вторым и третьим входами устройства, а выход— с управляющим входом второго коммутатора, третий выход которого соединен с первым входом дифференцирующего усилителя, а четвертый выход — с вторым входом дифференцирующего усилителя, входом второго амплитудного детектора и вторым входом второго измерителя сдвига фаз, блок оперативной памяти, информационные входы которого соединены с выходами измерителей сдвига фаз и аналого-цифрового преобразователя, четыре регистра, информациЬнные входы которых соединены с выходом блока оперативной памяти, три цифроаналоговых преобразователя, аналоговые входы которых соединены с шиной опорного напряжения, а цифровые входы первого и второго цифроаналоговых. преобразователей соединены с выходами первого и второго регистров, а выходы второго и четвертого регистров подключены к входам первого и второго синусно-косинусных преобразователей, выход первого цифроаналогового преобразователя соединен с вторыми входами первого и второго умножителей, выходы которых подключены к первым входам первого и второго суммирующих усилителей, вторые входы которых соединены с выходами соответственно третьего и четвертого умножителей, вторые входы которых соединены с выходом второго коммутатора, выход второго цифроаналогового преобразователя соединен с первым входом первого блока сравнения, генератор тактовых импульсов, два счетчика, второй блок сравнения, блок управления, второй и третий триггеры, элементы ИЛИ-НЕ, И и HJIH, выход элемента ИЛИ соединен . с управляющим входом блока управления, первый выход которого соединен l3I6027 l2 с входом сброса первого триггера, тактовый вход которого соединен с выходом первого счетчика, подключенным к счетному входу второго счетчика и цифровым входом третьего цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с вторым входом первого блока сравнения и информационым входом первого коммутатора, выход второго счетчика соединен с адресным входом блока оперативной памяти, входами элемента ИЛИ-НЕ, первым входом второго блока сравнения и тактовым входом третьего триггера, установочный вход которого соединен с вы- 15 ходом второго триггера, а выход с первым входом элемента И и входом сброса второго триггера, тактовый вход которого является управляющим входом устройства, второй вход эле- 20 мента И соединен с выходом второго блока сравнения, второй вход которого является адресным входом устройства, выход элемента И соединен с первым входом элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом элемента ИЛИ-НЕ, второй выход блока управления соединен с управляющими входами регистров, а третий и четвертый выходы с первым и вторым управляющими входами блока оперативной памяти, вход сброса блока управления подключен к первому выходу первого триггера, второй выход которого подключен к входу сброса первого счетчика, тактовый вход блока управления соединен с выходом генератора тактовых импульсов, подключенным к счетному входу первого счетчика. 2. Устройство по и.!, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что блок управления содержит преобразователь кодов, управляющий вход которого является управляющим входом блока, а информационный вход соединен с выходом регистра, информационный вход которого соединен с первым выходом преобразователя кодов, второй, третий, четвертый и пятый выходы которого являются соответственно первым, вторым, третьим и четвертым выходами блока, тактовый вход и вход сброса регистра являются соответственно тактовым входом и входом сброса блока.! 316027 Составитель И.Загинайко Техред М. Ходанич Корректор Л. Пилипенко Редактор О.Головач Заказ 2367/53 Тираж 433 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5 Производственно-полиграфическое предприятие,г.ужгород,ул.Проектная,4
