Устройство для измерения сдвига фаз

 

Изобретение относится к измерител1: ной технике и может быть использовано для контроля свойств веществ с применением фазовых измерительных цепей. Изобретение позволяет повысить точность измерений за счет умножения и переноса умноженных фазовых сдвигов на частоту исследуемых сигналов„ Последовательно формируют m дополнительных измерительных сигналов путем смешивания умноженных в пт1 раз опорного и в п раз измерй

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЩМЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСГ1УБЛИН (} А1 (!% Ир (др 4 G 01 R 25/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ASTOPCH0MY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

5М, ГОСУДАРСТВЕННЫЙ- КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЬП ИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4086798/24-21 (22) 07.07.86 (46) 15.03.89. Бюл. 11 10 (71) Институт прикладной физики

АН БССР (72) В.И.Крылович, В.В.Иихальков и В.В.Новохрост (53) 621.317.77(088.8) (56) Шпяндин В.М. Цифровые измери-. тельные устройства. — N..5ûñmàÿ ипсола, 1981 с.163-166, рис.3.26.

Авторское свидетельство СССР

1} 767663, кл. G 01 К 25/00, 1977. (54) YCTPOACTBO ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СДВИГА ФАЗ (57) Изобретение относится к иэмерител ной технике и может быть использовано для контроля свойств веществ с применением фазовых измерительных цепей, Изобретение позволяет повысить точность измерений за счет умножения н переноса умноженных фазовых сдвигов на частоту исследуемых сигналов. Последовательно формируют ш дополнительных измерительных сигналов путем смешивания умноженных в п-.1 раз опорного и в и раз измери1465806 тельного сигналов. Разность фаз между опорным и каждым измерительным сигналом измеряют с помощью квантующих меток частотой, в п раз превышающей частоту опорного сигнала.

Сдвиг фаз определяют как сумму измеренных фазовых сдвигов., умноженных на соответствующий коэффициент п, где i = 0,1,2,...,тп. Устройство содержит блок 7 формирования результата измерения, первый и ш дополнительных измерительных каналов, в состав которых входит фазометр 1, включающий формирователи 2 и 3, триггер 4, элемент И 5 и счетчик 6, умножитель

17 частоты в п раз, формирователь 16 импульсов коррекции, генератор 8 паИзобретение относится к средствам ( для измерения электрических и магнитных величин и может быть использовано для точного измерения разности фаз двух переменных напряжений, в частности для исследования свойств веществ с помощью фазовых измерительных цепей, одним из элементов которых является измерительный датчик 10 емкостного, индуктивного или резисторного типа, в робототехнике.

Цель изобретения — повышение точности измерения сдвига фаз путем умножения и переноса умноженных фа-,5 зовых сдвигов на частоту исследуемых сигналов.

Окончательный результат измерения представляется в виде суммы фазовых сдвигов, измеренных в каждом 20 из измерительных каналов, умноженных на соответствующий коэффициент n .

Расчетная формула имеет вид:

27

AC) = —,0 п Ч; (1) 25

i =-0

На чертеже приведена структурная схема устройства для измерения сдвига фаз.

Устройство для измерения сдвига фаз содержит первый и m дополнительных измерительных каналов, каждый из которых включает в себя фазометр

1, состоящий из первого 2 и второго чек квантующих импульсов, цифровые элементы 20 и 21, формирователь 22 сигналов .коррекции, триггер 23, элементы И 27, 30 и 31. Введение умножителя 14 частоты опорного сигнала в и-1 раз, г. полосовых фильтров 19, m смесителей 18, m фазометров 1, m формирователей 22 сигналов коррекции, запоминающего блока 15 и генератора 8 пачек квантующих импульсов позволяет достичь значительного увеличения разрешающей способности измерения сдвига фаз. В описании приведены примеры реализации генератора

8 пачек квантующих импульсов и формирователя 22 сигналов коррекции.

2 з.п. ф-лы, 1 ил.

3 формирователей, последовательно соединенных триггера 4, входы которого подключены к выходам формирователей 2 и 3, логического элемента И

5 и счетчика 6, выход которого является выходом фазометра 1, блок 7 формирования результата измерения, входь которого подсоединены к выходу фазометра 1 в каждом канале, генератор 8 пачек квантующих импульсов, состоящий из счетного триггера 9, входом подключенного к выходу третьеГо формирователя 10 на вход которого поступает опорный сигнал последовательно соединенных умножителя 11 частоты опорного сигнала в и раз, амплитудного ограничителя 12 и логического элемента И 13, второй вход которого подключен к прямому выходу счетного триггера 9, а выход — к второму входу логического элемента И 5 фазометра 1, умножитель 14 частоты опорного сигнала в п-1 раз, запоминающий блок 15, формирователь 16 импульсов коррекции, вход которого подключен к инверсному выходу счетного триггера 9, а последний выход— к управляющему входу блока 7 формирования результата измерений, в каждом дополнительном измерительном канале— последовательно соединенные умножитель 17 частоты в и раз, смеситель!

465

30 фазовый сдвиг дд между двумя периодическими сигналами, подлежащий измерению, можно представить в виде

ДЧ>= яй, = 2a ft<, (2) l 8, второй вход которого подключен к выходу умножителя 14 частоты опорного сигнала в и-1 раз, и полосовой фильтр 19, выход которого подключен к входу второго формирователя 3 фазометра 1 и входу умножителя 17 в и раз следующего канала, первый 20 и второй 21 цифровые элементы сравнения, каждый из которых одним входом подключен к выходу фазометра 1, а другим — к соответствующему выходу запоминающего блока 15, и в каждом измерительном канале, за исключением последнего, — формирователь 22 ".6 сигналов коррекции, содержащий последовательно соединенные триггер 23, . один вход которого подключен к выходу четвертого формирователя 24, второй вход через элемент 25 задерж- 20 ки — к выходу пятого формирователя

26, вход которого. соединен с выходом полосового фильтра 19, логический элемент И 27, вторым входом подключенный к выходу логического элемента

И 13 генератора 8 пачек квантующих импульсов, счетчик 28, третий цифровой элемент 29 сравнения, второй вход которого подключен к выходу фазометра 1, первый логический элемент И 30 и второй логический элемент И 31, одним из входов подключенный к второму выходу третьего цифрового элемента 29 сравнения, вторые входы первого 30 и второго 31 логи- 35 ческих элементов подключены к выходу первого 20 и второго 21 элементов сравнения следующего канала объеди) ненные третьи входы первого 30 и второго 31 логических элементов И 4о подключены к выходу формирователя 16 импульсов коррекции, а выходы - к управляющим входам регистрирующего счетчика 6 фазометра ), при этом на вход умножителя 17 частоты в и раэ 45 первого дополнительного канала и на

-второй вход формирователя 22 сигналов коррекции первого измерительного канала поступает входной измерительный сигнал, а на вход первого формирова- 50 теля 2 фазометра 1 и на первый вход формирователя 22 в каждом канале— опорный сигнал.

806 где f (пщ = пац, = — М, + ьЧ,, (4) 2ii

При умножении частоты первого дополнительного измерительного сигнала предыдущего канала в и раз, а частоты опорного — в п-1 раз, разность фаз между опорным сигналом и новым измерительным сигналом, если не учитывать целые периоды:

jn ьц, (270, +nay ) =n ьс

0 (пьц,,а 24.

4 — частота исследуемых сигналов, временной сдвиг между ними.

При использовании в фазометре квантующих импульсов с частотой, в п раз большей частоты сигнала, выражение (1) можно представить в виде:

2 йГЧ 2»

Щ = — - - + hQ - — N +kg (3) пЕ и

I где N — показания фазометра;

2 и /и — квант фазы

Ьс, — неучтенный фазовый сдвиг, который не превышает кванта фазы.

Затем формируют дополнительный измерительный сигнал, подавая на смеситель сигналы, полученные при умножении частоты измерительного сигнала в и раз, а частоты опорного сигнала — в и-1 раз. В результате получают сигнал, частота которого совпадает с частотой опорного сигнала, но разность фаз между опорным и дополнительным измерительным сигналами оказывается в и раэ большей sa счет умножения a n раз частоты измерительного сигнала и переноса умноженного фазового сдвига на исходную частоту. Тогда разность фаз между опорным сигналом и дополнительным измерительным сигналом, если не учитывать целое число периодов: (пью (2 и м, + пщ,1 naq,, где скобки () означают вычитание целого числа периодов, что обычно и происходит при измерении фазометром, причем вычитаемое число целых периодов равно N„, если 0 (Ьф а 2 í/и, Этот фазовый сдвиг регистрируется с помощью счетчика емкостью п второго фазометра. Если показания этого счетчика равны N,, то

1465806

Аналогично, продолжая формировать дополнительные измерительные сигналы ш-1 раз, можно получить фазовый сдвиг (m-1)-ro сигнала относительно опорного с учетом показаний Я.„,; счетчика соответствующего фазометра (и ьЯщ,) = пкц „(5) и ш-го дополнительного измерительного сигнала (n aQ ) = n.q, (6) где Ьц„- остаточная фаза, неучтенная в фазометре канала ш.

Используя последовательные подстановки и опуская фигурные скобки, 21я так как допускается,что 0 < Ь, < —, получают измеряемый сдвиг фаз

„, 2 и 2 н 1 2Р 1

А О= — "Я + "N . + -"Я ., + п и и п п

1 2п 1 Ч » — — + — N — + — —и " и и п

2ч

+ — N

Щ ( или

27

Щ=

)

Ъ (и Ni +Fag, =.0 (7) показания 1 — го фаэометра, коэффициент умножения частоты;

0,1,2,...,m; количество дополнительных измерительных сигналов, где N и ф

aha „(n — погрешность измерения сдви-. га фаз.

Так как было принято, что значе- . ние неучтенной фазы Д Cp„,+ положительно и не превышает 2Т/и, то максимальная погрешность в измерении сдвига фаз

Ei„

2 и .В (8) 0> и ma-I

Устройствб работает следующим образом.

Входные опорный U è измерительный U сигналы в виде сдвинутых и м по фазе переменных напряжений поступают на входы формирователей 2 и 3 фазометра 1 в первом измерительном канале, которые формируют короткие импульсы в моменты перехода исследуемых переменных напряжений через нуль. Эти импульсы опрокидывают триг

rep 4, с выхода которого на логический элемент И 5 поступает импульс, длительность которого равна временному сдвигу между исследуемыми напряжениями. Одновременно опорный сигнал

U поступает на входы умножителя 11 оп частоты опорного сигнала в и раз и опрокидывает счетный триггер 9 в единичное состояние, открывая логический элемент И 13. С выхода умножителя переменный сигнал частоты nf (f

10 частота исследуемых напряжений), поступает на вход амплитудного ограничителя 12, который преобразует этот

| сигнал в импульсы прямоугольной формы той же частоты и выдает их через

15 открытый элемент И 13 на второй вход ло.гического элемента И 5, через который квантующие импульсы поступают на вход регистрирующего счетчика б, в котором фиксируется количество им20 пульсов, укладывающихся на временном фазовом интервале между опорным и вХодным измерительным сигналами.

Кроме того, опорный и измерительный сигналы поступают на входы умножителя 14 частоты в и-1 раз и умножителя частоты в п раз. С умножением частоты измерительного сигнала в п раз происходит и умножение во столько же раз фазового сдвига. Полученные сигналы подаются на смеситель

18,на выходе которого появляется сигнал раэностной частоты, который отфиль тро выв ается с помощью поло со во ro фильтра 19. На выходе полосового

35 фильтра 19 получают дополнительный измерительный сигнал, частота которого равна частоте исследуемых напряжений, а сдвиг фаз относительно опорного сигнала — в и раз больше.

40 Аналогично измеряется разность фаз полученного и опорного сигналов с помощью фазометра 1 первого дополнительного канала.

4.5

После формирования первого дополнительного измерительного сигнала аналогично формируется второй, третий и т.д. и, наконец, m-й сигнал.

Сформированный сигнал поступает на вход умножителя 17 следующего канала, 50 фазовый сдвиг получаемого сигнала относительно опорного в и раз больше фазового сдвига предыдущего сигнала. Разность фаз получаемых сигналов относительно опорного в каждом

55 случае измеряется аналогично с помощью фаэометра 1. В счетчике 6 каждого фазометра регистрируется количество импульсов Н,. При этом коли7 14 честно импульсов N; в каждом канале не превышает и.

С приходом второго периода исследуемого напряжения счетный триггер

9 опрокидывается в нуль, закрывая логический элемент И 13. Устройство переходит в режим коррекции. Необходимость коррекции полученных значений М; объясняется тем, что в случае, когда количество зарегистрированных импульсов Н;+, в следующем канале близко к и, то возрастает вероятность того, что количество импульсов N; зарегистрированных s данном канале, либо на единицу меньше, либо на единицу больше истинно- го значения. Для этого осуществляется коррекция полученного значения

М на основе полученного значения

NÄ:, следующего канала. Для этой цели в каждом канале устройства имеется формирователь 22 сигналов коррекции, который может изменить содержимое счетчика 6 фазометра 1 в каждом канале на единицу. В последнем канале m такой блок отсутствует, По окончании цикла коррекции на управляющий вход блока 7 формирования результата с последнего выхода формирователя 16 импульсов коррекции пос- . тупает импульс, разрешающий счить1вание:.откорректированных значений

N всех счетчиков 6. Блок 7 в соот

4 ветствии с выражением (1} вычисляет конечный результат. С приходом третьего периода опорного сигнала устройство вновь переходит в режим измерения, с приходом четвертого - в режим коррекции полученного результата и т.д.

Формирователь 22 сигналов коррекции работает следующим образом.

Формирователи 24 и 26 формируют короткие импульсы при переходе

-опорного и соответствующего измерительного сигналов через нуль. Импульс с выхода формирователя 24 опрокидывает триггер 23 в единичное сос« таяние, а задержанный с помощью элемента 2S задержки импульс с выхода формирователя 26 возвращает его s нулевое состояние. В результате длительность, импульса на выходе триггера 23 на время Дйэ больше длительности импульса с; на выходе триггера 4 соответствующего фазометра 1 и составляет ; + ht . Время

65806 8

ht в каждом формирователе 22 сигна3 лов коррекции одинаково

К и-К с

n f > - o f где К вЂ” целое число

0 йК .-и

2 (10)

В течение а; + gt, через логический элемент И 27 в счетчик 28 поступает число импульсов, код которого сравнивается в цифровом элементе

29 сравнения с кодом счетчика 6 фазометра 1. Если код счетчика 6 меньше кода счетчика 28, ro элемент 29 сравнения выдает напряжение уровня

"l на вход элемента И 30, если коды счетчиков 6 и 28 равны, то элемент

29 выдает уровень "I" на вход элемента И 31, В зависимости от того, какое число N;+, квантующих импульсов регистрируется в счетчике 6 следующего канала, соответствующий уровень напряжения приходит на второй вход элементов 30 и 31. Если N; а К, то уровень "1" с выхода элемейта 20 присутствует на втором входе элемента

И 30, если N;+, » n-К, то уровень

"1" с выхода элемента 2I имеется на втором входе элемента И 31; если

К (N;, с п-К, то .на вторых вхэдах элементов И.ЗО, 31 присутствует уровень "0".

Описанные преобразования прсисходят в формирователе 22 сигналов коррекции в течение измерительного цикла. В течение режима коррекции гроисходит формирование на выходах формирователя 16 корректирующи импульсов, которые в определенной последовательности поступают в формирователь 22 в каждом канале.Вначале импульс коррекции подается на третий вход логических элементов И

30 и 31 формирователя 22 предпоследнего канала, т.е. канала m-l, затем.— канала ш-2 и т.д., и наконец, первого измерительного канала. Таким образом, коррекция результата осуществляется, начиная с младших разрядов, последовательно приближаясь к старшим. Если на двух других входах элементов И 30 и 31 имеются уровни "1" то импульс коррекции увеличивает или уменьшает на единицу содержимое счетчика 6 фазометра 1 соответствующего канала. Если на одном из входов элементов И 30 и 31 присутствует уро1465806

I0

30

50 вень "0", содержимое счетчиков 6 в каждом фазометре l остается неизменным.

Таким образом, не предъявляя существенных требований к разрешающей способности фазометров, которая должна составлять примерно 2Т/и для каждого канала, устройство позволяет достичь значительного увеличения разрешающей способности измерений. сдвига фаэ по сравнению с известными фазометрами с умножением частоты sa счет измерения умноженных фазовых сдвигов все время на частоте измерительного сигнала при использовании сравнительно простой измерительной аппаратуры.

Формула изобретения

l, Устройство для измерения сдвига фаэ, содержащее клеммы опорного и измерительного сигналов, m умножителей в n pas частоты иэмерительного сигнала, первый иэ которых входом соединен с клеммой измерительного сигнала, фазометр, формирователь управляющих импульсов, один иэ выходов которого соединен с входом "Пуск" блока формирования результата измерения, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения, содержащийся в нем фазометр снабжен четвертым и пятым (корректирующими) входами и в него дополнительно введены умножитель в и-1 раз частоты опорного сигнала, входом соединенный с клеммой опорного сигнала и выходом " с первыми входами m введенных смесителей час1 тоты, вторые входы которых соединены с выходами m умножителей в и раз частоты измерительного сигнала, ш полосовых. фильтров, входами соеди" неннык с выходами каждого из ш смесителей, ш дополнительных фазометров, m формирователей сигналов коррекции, m пар элементов сравнения кодов, запоминающий, блок, генератор пачек квантующих импульсов, вход которого соединен с клеммой опорного. сигнала, с которой соединены также первые входы ш+1 фазометров, первые входы ш формирователей сигналов коррекции., клемма измерительного сигнала соединена с вторым входом первого фазометра и вторым входом первого формирователя сигнала коррекции, выходы от первого до (m-1)-го полосовых фильтров соединены соответственно с входами с второго по m-й умножителей в и раэ частоты измерительного сигнала, а также соответственно с вторыми входами с второго по

m-й фаэометров и вторыми входами от второго до m-ro формирователей сигналов коррекции, выход m-го полосового фильтра соединен с вторым входом m+1-ro фазометра, первый выход генератора пачек квантующих импульсов соединен с третьими входами m+1 фаэометров и ш формирователей сигналов коррекции, первый и второй выходы которых соединены соответственно с четвертым и пятым входаьж от первого до m-ro фазометров, выходы которых соединены соответственно с четвертыми входами каждого из m формирователей сигналов коррекции, пятый и шестой входы каждого из которых соединены с выходами каждой соответствующей пары элементов сравнения кодов, первые входы каждой указанной пары соединены с выходом каждого последующего фазометра, а вторые входы каждой пары — соответственно с первым и вторым выходами запоминающего блока, выходы ш+! фазометров соединены соответственно с (ш+1)-м входом формирователя результата измерения, второй выход reнератора пачек квантующих импульсов соединен с входом формирователя управляющих импульсов, m выходов которого соединены соответственно с седьмым входом каядого из ш формирователей сигналов коррекции.

2. Устройство по п.l, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что генератор пачек квантующих импульсов содержит последовательно соединенные умножитель в и раз частоты опорного сигнала, усилитель-ограничитель и элемент

И, второй вход которого соединен с прямым выходом триггера, вход которого через формирователь импульсов соединен с входом умножителя в и раз частоты опорного сигнала, который является входом упомянутого генератора, выход элемента И является первым выходом, а инверсный выход триг55 гера " вторым выходом упомянутого генератора.

3. Устройство по п.l, о т л и ч аю щ е е с я тем, что формирователь

ll

)465806 l2 сигналов коррекции содержит последо- нен с вторым входом триггера, тревательно соединенные формирователь . тий вход формирователя сигнала коропорного импульса, триггер, первый рекции соединен с вторым входом перэлемент И, счетчик и элемент срав- вого элемента И, четвертый вход — с нения кодов, выход Меньше котороII н 5 вторым входом элемента сравнения кого соединен с первым входом второго дов, пятый вход — с вторым входом элемента И, а выход.. "Равно" - с пер- второго элемента И, шестой вход — с вым входом третьего элемента И, вход .вторык входом третьего элемента И н формирователя опорного импульса явля- 10 седьмой вход " с третьими входами ется первым входом формирователя сиг- второго и третьего элементов И, выналов коррекции, второй вход которо- ходы которых являются первьи и втого через формирователь измерительно- рым выходами упомянутого формироваго импульса и линию задержки соеди-. теля.

Составитель В.Макаревич

Редактор Л.Пчолинская Техред A.. Кравчук . Корректор И.Муска

Заказ 941/46 Тираж 7l1 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета пр изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. 1 агарнна,101