Способ определения мгновенных значений фазового сдвига электрических сигналов

 

Изобретение относится к информационно-измерительной технике. Цель - повышение точности измерения. По предлагаемому способу выделяют временной интервал, равный полупериоду по моментам перехода опорного сигнала через опорные уровни +U<SB POS="POST">оп</SB> и -U<SB POS="POST">оп</SB> @ , равные по значению и противоположные на знаку, формируют опорные уровни +U<SB POS="POST">оп</SB> @ и -U<SB POS="POST">оп</SB> @ , +U<SB POS="POST">оп</SB> @ и -U<SB POS="POST">оп</SB> @ , выделяют временные интервалы 0,5T-ΔТХ, 0,5T+ΔТХ по моментам перехода исследуемых сигналов в противоположных направлениях через опорные уровни U<SB POS="POST">оп</SB> @ и -U<SB POS="POST">оп</SB> @ , U<SB POS="POST">оп</SB> @ и -U<SB POS="POST">оп</SB> @ , измеряют значения N<SB POS="POST">2</SB> и N<SB POS="POST">3</SB> временных интервалов 0,5T-ΔТХ и 0,5Т+Δтх и значение N<SB POS="POST">1</SB> полупериода при частоте квантования F<SB POS="POST">1</SB>. Одновременно выделяют дополнительный временной интервал, равный полупериоду исследуемых сигналов при значениях опорных уровней +U<SB POS="POST">оп</SB> @ и -U<SB POS="POST">оп</SB> @ , измеряют значение N<SB POS="POST">4</SB> дополнительного временного интервала при значении частоты квантования F<SB POS="POST">2</SB>≠F<SB POS="POST">1</SB>, а о мгновенном значении фазового сдвига электрических сигналов судят по выражению N<SB POS="POST">1</SB>=F<SB POS="POST">1</SB>-F<SB POS="POST">2</SB>/F<SB POS="POST">1</SB> N<SB POS="POST">3</SB>-N<SB POS="POST">2</SB>/N<SB POS="POST">4</SB>-N<SB POS="POST">1</SB>. Значения опорных уровней +U<SB POS="POST">оп</SB> @ и -U<SB POS="POST">оп</SB> @ , +U<SB POS="POST">оп</SB> @ и -U<SB POS="POST">оп</SB> @ формируют равными по значению и противоположными по знаку, измеряют значения амплитуд исследуемых сигналов и устанавливают значения опорных уровней ±U<SB POS="POST">оп</SB> @ в α раз меньшими, чем значения опорных уровней ±U<SB POS="POST">оп</SB> @ .При этом знаки опорных уровней в каждый полупериод устанавливают соответствующими знакам сравниваемых сигналов с последующим формированием признаков квадранта. Поставленная цель достигается за счет компенсации аддитивных и мультипликативных составляющих погрешности и уменьшения амплитудно-фазовых погрешностей. 2 з.п.ф-лы. 1 табл. 5 ил.

сооз советских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (51) 5 G 01 R 25/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

Н ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4408855/24-21 (22) 1Т.04,88 (46) 23.04.90. Бюл. И 15 (71) Институт кибернетики им. В.И.Глушкова АН СССР (72) В.Т.Кондратов (53) 62l.317.77 (088.8} (56) фиытейн А.И. Ключевые фазометрические преобразователи. - И.: Наука, 1985, с. 6-15.

Авторское свидетельство СССР

8 949536, кл. G Oi R 25/00, 1980. (54} СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МГНОВЕННЫХ

ЗНАЧЕНИИ ФАЗОВОГО СДВИГА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАПОВ (57) Изобретение относится к информационно-измерительной технике. Цельповышение точности измерения. По предлагаемому способу выделяют временной интервал, равный полупериоду по моментам перехода опорного сигнала через опорные уровни +V „ и

-Ч „, равные по значению и противоположные по знаку, формируют опорные УРовни +Ч,„z и -Vo„ ý +Ч опз и .

-V« „ выделяют временные интервалы

0,5Т-at „, 0,57+dt „ по моментам перехода исследуемых сигналов в противоположных направлениях через опорные

Уровни V on и -Ч оп в V nod и Ч спЭ измеряют значения N q u N z временных

Изобретение относится к информационно-измерительной технике, в частности к фазометрии диапазона низких и инфранизких частот, и может быть использовано по прямому назначению при измерении не только мгновен

2 интервалов 0,5Т-д „ и 0,5T+Ltt„ и значение N, полупериода при частоте квантования f,. Одновременно выделяют дополнительный временной интервал, равный полупериоду исследуемых" сигналов при значениях опорных уровней +V „ и -V „, измеряют значение N дополнительного временного интервала при значении частоты квантования и й„, а о мгновенном значении фазового сдвига электрических сигналов судят по выражению N

Ел-fg Nд-N

= — — — - - — . Значения опорных уров1 14 1

"ей +Vomer " Чап +Vons и -Чопз Фор мируют равными по значению и противоположными по знаку, измеряют значения амплитуд исследуемых сигналов и ус" танавливают значения опорных уровней +U o„ в J раз меньшими, чем значения опорных уровней +Vo„ . При этом знаки опорных уровней в каждый полупериед устанавливают соответсгвующими знакам сравниваемых сигналов с последующим формированием признаков квадранта. Поставленная цель достигается за счет компенсации ащ итивных и мультипликативных составляющих погрешности и уменьшения амплитудно-фазовых погрешностей. 2 з.п, ф-лы, 5 ил., 1 табл. ных значений фазового сдвига электрических сигналов, но и мощности, косинуса угла потерь и т.д., а такwe при реализации фазовых методов измерения свойств веществ и материалов.

1559308

Целью изобретения является повышение точности измерения.

На Фиг.! представлены диаграммы, поясняющие способ; на фиг.2 - структурная схема устройства, реализующе-. го способ; на фиг.3 - формирователь временных интервалов; на фиг.4блок определения квадрата; на фиг.5дешифратор.

Устройство содержит Формирователь

1 временных интервалов, первый - четвертый элементы И 2 - 5, первый генератор 6 импульсов частоты квантования f кц,, второй генератор 7 импульсов частоты квантования Ккц, первый - пятый счетчики 8 — 12 импульсов, мультиплексор 13, задатчик 14 числа М,=90, задатчик l5 числа И =

= (f -f.,)f,, арифметический блок 16, отсчетно-регистрирующий, блок 17 и блок 18 автоматического определения номера квадранта и знака измеряемого фазового сдвига.

Первый выход Формирователя 1 вре менных интервалов через элемент И 2 и счетчик 8 соедийен с первыми входами мультиплексора 13, вторые входы которого через счетчик 9 и элемент

И 3 соединены с вторым выходом формирователя 1.

Третий выход формирователя 1 через элементы И 4 и счетчик 10 соединен с третьими входами мультиплексора 13, четвертые входы которого через счетчик 11 и элемент И 5 соедине- З5 ны с четвертыми выходами Формирователя 1. Пятые и шестые входы мультиплексора 13 соединены с выходами соответственно задатчиков 14 и 15. числа, а седьмые входы через счетчик 40

12 соединены с шестым выходом формирователя 1, пятый выход которого соединен с установочными входами счетчиков 8 - 12. Вторые входы элементов

И 2 - 4 соединены с выходом первого 4 генератора 6, а второй вход элемента

И 5 соединен с выходом второго генератора 7. С седьмого пр девятый выходы формирователя 1 соединены с вхо. дами блока 18 определения номера квадранта, четвертый вход которого соединен с клеммой опорного сигнала, а выход - с управляющим входом Формирователя 1.

Выходы мультиплексора 13 через арифметический блок 16, вторые входы которого соединены с выходами счетчика 12, соединены с входами отсчетно-регистрирующего блока 17 ° При этом формирователь временных интервалов 1 содержит (фиг.3) формирователь l9 опорных уровней, первый 20 и второй 21 управляемые делители напряжения, шесть компараторов 2227, нуль-орган 28, четыре двухвходовых элемента ИЛИ-HE 29 - 32, один трехвходовой элемент ИЛИ-НЕ 33 и один шестивходовой элемент ИЛИ-НЕ

34, три одновибратора 35 - 37, усилитель 38 мощности, четыре счетных триггера 39 - 42 и измеритель 43 отношения амплитуд.

Первый вход формирователя 1 временных интервалов соединен с первыми входами измерителя 43 отношения амплитуд, первого - пятого ксмпараторов 22 - 26. Второй вход формирователя 1 временных интервалов соединен с вторым входом измерителя 43 отношения амплитуд, первыми входами третьего 24 и шестого 27 компараторов.

Вторые входы первого 22 и второго

23 компараторов соединены с первым и. вторым выходами Формирователя 19 опорных уровней, к второму выходу которого подключен и сигнальный вход первого управляемого делителя 20 напряжения. Вторые входы четвертого

25 и пятого 26 компараторов соединены с третьим и четвертым выходами

Формирователя 19 опорных уровней, к четвертому выходу которого подключен и сигнальный вход второго управ ляемого делителя. 21 напряжения. Управляющие входы делителей 20 и 21 напряжения объединены и подключены к выходу измерителя 43 отношения амплиту д 4

Выходы компараторов 22 - 26 подключены к первым входам соответственно элементов ИЛИ-НЕ 29 - 32, чьи выходы. соединены со счетными входами триггеров 39 - 42, выходы которых являются первыми четырьмя выходами формирователя временных интервалов.

Вход установки нуля триггеров

39 - 42 соединен с пятым выходом формирователя 1 временных интервалов и подключен к выходу усилителя 38 мощности, чей вход через первый одновибратор 35 соединен с седьмым выходом

Формирователя 1 и подключен к выходу нуль-органа 28., вход которого соединен с первым .входом Формирователя il временных интервалов. входы которых соединены соответственно с первым и вторым выходами источника 48 опорного напряжения °

Выходы компараторов 46 и 47 подключены соответственно к первым входам первого 49 и второго 50 элементов

И-НЕ, вторые входы которых объединены и соединены с выходом первого триггера 54. Выходы первого 49 и второго 50 элементов И-НЕ подключены соответственно к входам установки единицы и нуля второго триггера 55 и через инверторы 56 и 57 к входам элемента ИЛИ-НЕ 53.

Второй вход нуль-органа 61 подключен к земляной шине, выход соединен с входом установки единицы триггера

66, чей вход установки нуля подключен через одновибратор 62 к выходу элемента ИЛИ-НЕ 63. Выход триггера

66 соединен с первыми входами элементов И-НЕ 64 и 65, вторые входы которых являются соответственно вторым и третьим входами блока 18. Выходы элементов И-НЕ 64 и 65 соединены соответственно с входами установки единицы .и нуля триггера 67 и через инверторы 59 и 60 с входами элемента

ИЛИ-НЕ 63.

Выходы задатчика 69 состояний подключены к установочным входам триггера 68.

Прямые и инверсные выходы тригге.-ров 55, 67 и 68 подключены соответственно к первому — шестому входам дешифратора 70, первые шесть выходов которого через индикаторы 71 - 76 соединены с клеммой питания +Ч, а седьмой выход дешифратора 70 является выходом блока 18. Седьмой вход дешифратора 70 подключен к третьему входу блока 18.

Первые входы дешифратора 70 (фиг.5) соединены с первыми входами элементов И 77 - 80, вторые входы подключены к первым входам элементов

И 81 — 84, третий вход дешифратора 70 соединен с вторыми входами элементов

И 77,82,79 и 84,четвертый вход соединен с вторыми входами элементов И 78,81

80 и 83, пятый вход соединей с вхо" дами элементов И 77, 78, 81 и 82, а шестой вход дешифратора 70 соединен с входами элементов И 79, 80, 83 и

84.

Выходы элементов И 77 и 78, SI u

82 подключены к входам элемента ИЛИНЕ 85, а элементов И 79 и 80, 83 и

5 1559308 6

Второй вход элемента ИЛИ-НЕ 29 соединен с входом элемента ИЛИ-HE

34 и подключен к выходу четвертого компаратора 25. Второй вход элемента ИЛИ-НЕ 30 соединен с вторым входом элемента ИЛИ-НЕ 33, с входом элемента ИЛИ-НЕ 34 и с выходом пятого компаратора 26.

Второй вход элемента ИЛИ-НЕ 3I соединен с вхс1дом элемента ИЛИ-НЕ

34„ восьмым выходом формирователя 1, подключен к выходу компаратора 27.

Второй вход элемента ИЛИ-НЕ 32 соединен с третьим входом элемента

ИЛИ-НЕ 33 и подключен к выходу компаратора 23. При этом один из входов элемента ИЛИ-НЕ 34 соединен через второй одновибратор 36 с выходом элемента ИЛИ-НЕ 33. Выход элемента ИЛИ- 20

HE 34 через третий одновибратор 37 соединен с шестым выходом формирователя временных интервалов. Вход элемента ИЛИ-НЕ 34 является третьим входом формирователя 1 временных 25 интервалов 3.

Блок 18 автоматического определения номера квадранта и знака измеряемого фазового сдвига состоит (фиг.4) из узла определения знака мгновенного значения сдвинутого по фазе сигнала (блоки 44 - 57), узла определения знака производной сдвинутого по фазе сигнала (блоки 58—

67), узла предустановки характера цепи (блоки 68 и 69), дешифратора

70 признаков и индикаторов квадрантов и знака измеряемого фазового сдвига (индикаторы 71 — 76}.

В блоке 18 автоматического опре- 40 деления номера квадранта и знака измеряемого фазового сдвига вход ключа 44 соединен с одним из входов нуль-органа 61 и является четвертым входом блока 18. Цепь управления 45 ключа через одновибратор 51 подключена к первому входу блока 18, с которым соединены вход установки единицы триггера 54 и вход инвертора

58. 50

Выход ключа 44 подключен к входу интегратора 45, управляющий вход которого соединен с входом установки нуля триггера 54 и подключен через одновибратор 52 к выходу логического у элемента 53.

Выход интегратора 45 подключен к объединенным первым входам первого

46 и второго 47 компараторов, вторые

1559308

30 (2) U (t) U аю sin(Ot (P„) с разными амплитудами U „ ъ U >

Согласно предлагаемому способу вначале формируют опорные- уровни

+Пю„, и -U, +U и -Б „, равные по величийе и противоположные по знакам, т.е. Вю„, 1= l-Uю„, l, lU0„ I= lW „ 1. Значения этих опорных уровней устанавливают из условия, 40 например, повышения помехозащищенности процесса измерения при отношении сигнал/шум больше трех; Причем

lUþа 1 ) П„и !П„,,1) и„, где Содействующее значение напряжения шума. 45

При этом значения опорных уровней выбирают Различными, т.е. U yp< >g 0

Если априори действующего значения шума U неизвестно и измерить

ld его невозможно или электрические сиг- 50 налы U,(t) и U<(t) не являются аддитивной смесью сигнала и шума, то значения опорных уровней +П „, и

+U z < устанавливают, например, с учетом наличия нелинейных искажений, смещающих момент времени перехода через нуль первой (основной) гармоники исследуемых сигналов. Если шумы . и нелинейные искажения отсутствуют, 84 - к входам элемента ИЛИ-HE 86.

Выходы элементов ИЛИ-НЕ 85 и 86 являются выходами дешифратора 70.

Первые входы И элемента 4И-ИЛИ-НЕ

87 объединены и являются входом де5 шифратора 70. Вторые входы И элемента 4И-ИДИ-НЕ 87 подключены к выходам элементов И 82, 81, 79 и 80, а выход соединей с входом одновибратора

88, чей выход является выходом дешифратора 70.

Первые и вторые входы элементов

ИЛИ-НЕ 89 - 92 подключены соответст-

: венно к выходам элементов И 77, 78, 15

8l, 82 и 79, 80, 83, 84. Выходы элементов ИЛИ-НЕ 89 - 92 являются соответственно первым - четвертым выходами дешифратора 70.

Сущность предложенного изобретения поясняется эпюрами напряжений, приведенными на фиг .1, и заключается в следующем. Допустим, что необходимо измерить мгновенное значение фазового сдвига „ электрических 25 сигналов. то значения опорных уровне" +U«, и

+U „> ввыыббииррааюют т ппррооииззввооллььнныымми и ииллии, например, с учетом температурной стабильности и дрейфа выходного сигнала компараторов или других используемых устройств сравнения.

Затем измеряют отношение амплитуд ю(=П,/П исследуемых сигналов в течение, например, интервала вре>« dt4ty t

Пй получейному значению амплитуд исследуемых сигналов устанавливают значения опорных уровней U „ =dUo„ и -Uîëç=-ю "юа, в d Раз превышающие значенйя опорных уровней +U юд . При этом знаки опорных уровней в каждый полупериод опорного сигнала устанавливают соответствующими знакам сравниваемых сигналов (1) и (2).

Определяют знак "+" или "-" мгновенных значений сдвинутого по фазе сигнала U (t) в момент времени t перехода через нуль опорного сигнала

Ц, (t) в положительном направлении.

Знак мгновенного значения, сдвинутого по фазе сигнала, может быть определен, например, путем подачи на накопительный конденсатор (или интегратор) в течение короткого промежутка времени at=tÄ-t сигнала U (t), с последующим сравнением полученного напряжения с положительным и отрицательным опорными уравнениями, близкими к нулевому, т.е. +U „, и-л0„„.

Превышение полученного напряжения уровня +DU характеризует положительный знак мгновенного значения сигнала U<(t), а превышение (по модулю) уровня -Ы „ — отрицательный знак.

Затем определяют знак производной сдвинутого по фазе сигнала U z(t) в момент времени с перехода через нуль опорного сигнала U (t) или в момент времени t3 перехода через нуль сдвинутого по фазе сигнала Uq(t).

Знак производной обычно определяют по моментам времени перехода сигналом Uz(t) опорных уровней +U ю„, и

-U<„ . Если, по истечении момента времени е, сигнал U <(t) переходит опорный уровень +Бю„„ знак производной полОжительный, а если -Uù,, то отрицательный.

Согласно способу характеризуют знаки "+" и "-" признаками "1" и "0" . соответственно. Индуктивный и емкостный характеры исследуемой цепи (че1559308 (8) в = „- =0, 5Т- Л х 1

Clt =t -t =0 5T+3t

3 9 2 Х

25 (10) (3) "!т31 в т -"ОПт

Откуда

1, . Uon

t =- arc sin — — .

Я О, (4) dt =t -t =0,5Т. (1 3) -Б у11 $1ПЯ4 =-Б рг, < ° (5) Из (5) получаем, что

9 тырехполюсника) также характеризуют признаками "1" и "0" соответственно.

О номере квадранта, в котором находится измеряемый фазовый сдвиг, судят по кодам признаков: 111(110)

I-й квадрант; 101(100) - II-й квадрант; 001(000) - III-й квадрант и

011(010) - IV-й квадрант.

Условия определения номера квадранта приведены в таблице, где старший разряд кода признака характеризует знак мгновенного значения сдвинутого по фазе сигнала, второй разряд — знак производной, а младший разряд характеризует известный или определяемый априори индуктивный (емкостной) характер цепи или знак измеряемого фазового сдвига: "1"и+у4! !0!! - 11- и у

Одновременно по моментам времени перехода исследуемых сигналов через опорные уровни +Uо„, Ю ов, и +О 003 формируют временные интервалы 0,5Т;

0у5Т д к и Оу5T+dt„

Временной интервал, равный полупериоду, выделяют по моментам времени перехода опорного или сдвинутого по фазе сигнала через нулевой или опорные уровни +Б „, и -Б „,, равные по значению и противоположные по знаку. Допустим, что указанный временной интервал выделяют по моментам времени t, и t перехода опорного сигнала (1) через опорные уровни

+11 оп и Оопп °

В этом случае момент времени t„, ограничивающий сверху временной интервал длительностью 0,5Т, определяется из равенства

Момент времени t, ограничивающий снизу временной интервал длительностью 0,5Т определяется из равенства

1 1 -и

t =- Larc sin — — -=t +0,5Т. (6) (gL 0 1 У ° !!l 1

Выделенный временной интервал длительностью 0,5T с учетом выражений (4) и (6) определяется из равенства 1 Тб Й1 1+0,5T-е1,0,5Т. (7) Временные интервалы 0,5T-d t u

0,5Т+дс„ выделяют по моментам времени t < и t» tq u t перехода исследуемых оигивпов (1! и (2) в противоположных направлениях через опорные уровни +U, è -U, +U,„, и -U « соответственно. При этом временной интеРвал

Измеряют значения временных интервалов (7). (8) и (9) при частоте квантования f„ . В результате с учетом погрешностей измерения, получают

N, =I0,5T(1+ð)+ Л,) f,; 1т=((0,5Т-де„) (1+у)+ д,7 fg, (11)

30 И = ((0,5Т+дс„) (1+y)+8 g f,, (12) где 0,5Туй,, (0,5Т-дик) уГ и (0,5T+ в

+дс ) уŠ— мультипликативные составк ю ляющие погрешностей измерения полупериода и временных интервалов 0,5Т-Дск и 0,5T+dt„; d,f,=(Д„+ д „) f ;

+Л ) f, — аддитивные составляющие погрешностей выделения и измерения

40 полупериода и временных интервалов

Oу5Т+д к и 0,5Т-д х» д кй р Kst u

- погрешности квантования вреквз менных интервалов; д — аддитивная составляющая погрешности выделения

45 временных .интервалов 0,5Т, 0,5Т

Одновременно с временными интервалаии (7), (8) и (9) выделяют дополнительный временной интервал;. равный

50 полупериоду исследуемых сигналов

Причем вреиенной интервал dt выФ

55 дЬляют при значениях опорных уровней

+Uoia и Ооп.

Затем измеряют значение дополни« тельного интервала времени dt<=t 12

1559308

-2=0,5Т при значении частоты квантования f 9f

В результате с учетом погрешности измерения получают

N = (0,5Т(1+у7+4в ) f, (1») О мгновенном значении фазового сдвига электрических сигналов судят по выражению с учетом погрешностей результатов промежуточных измерений

I Д )+4З7 fig(0 5T 4 х) (1+ )+й г И» = е Еа-Е1 N -Ив ) ((0 5Т+Ж к) Ц+

f Н -Ы» в Г0,5Т(1-+ )+л„

90 «Е -Е» 12Л х+ (Д -4у} /(1+Щ. f

0,5Т(Е,-Е,) -(4, Е,-4,Е, ) /(1+ ) 1-f - 0,5Т(1+у)+ 4,) f„ (15) гДе 4у Е (Мах +4„,у ) fg

Р и 0,5T ó f - аддитивная и мультиплика- 10 тивная составляющие погрешности измерения временного интервала dt s) 15

4 - погрешность квантования временного интервала 4t<, 4 „ — аддитивная составляющая погрешности выделения временного интервала at 4. при кодах признаков 111, 101 и 000, 010 или по выражению в Е -Е» Л- + 180. (16) ,при кодах признаков 110, 100 и 001, 1

011, причем знак результата измерения определяют по состоянию младшего разряда кодов признаков: + (g „при "1" и -Ч при "0", где 1 „, N< ° Нз и N результаты измерений временных интервалов >o»=90; >о =(Е»-Е,) /f„.

Определяем значения разностей

32 3 «7» ф» 4 2»»7

30

4N31 (4-4) Е =(4 +4 -4 д» а кв3 ау кв ) Е» =(Аква-4 »в ) Е» 3 (17) 40

4 1 1» =4 Е У-4»Е» = (4и + 4кв ) Е (в, +4KSl) f»-à» (Е Е ) дкв Е кВ» Е» (18) 45

Из выражения (17) видно, что аддитивная составляющая погрешности выделения временных интервалов dtz u

dt> автоматически исключается. Разность 4квв 4K8$ а з<ЯвлЯетсЯ величи- 50 ной второго порядка малости, которой можно пренебречь, особенно при малых значениях с, а следовательно, и фазового сдвига сигналов, так как в этом случае йквв"-dêâå flocKDElbKy

0», 5Т-dt„ 0 «5Т+4 х .

Что касается величины вЙв» (18) то соответствующим выбором частот квантования можно обеспечить равенст.

4и Ет 4кв» Е и аК54 Е2 4 )Е»

В этом случае достигается равенство нулю аддитивной составляющей погреш« ности измерения dN

Тогда выражение (16) принимает вид о fz-f 2dt ф2дсх

90 1 Е д =90 (1

<х Е, 0,5Т(Е q Е„) 0,5Т

Из выражения (19) видно, что пред . лагаемый способ измерения обеспечивает исключение как аддитивных, так и мультипликативных составляющих погрешности измерения. Кроме того, как видно из выражений, моменты времени

tz и t > ограничивающие выделяемые временные интервалы, не зависят от неравенства амплитуд исследуемых сигналов.

В результате обеспечивается также исключение и амплитудно-фазовой погрешности измерения, характерной для известного способа. Диапазон измерения расширен до +360 . Кроме того, автоматически определяется номер квадранта и знак измеряемого фазового сдвига.

Устройство работает следующим образом.

Электрические сигналы (1) и (2), фазовый сдвиг которых подлежит измерению, подаются на первый и второй входы формирователя 1 временных интервалов.

Последний обеспечивает не только формирование временных интервалов (7), (8), (9) и (13), но и формирование импульса сброса триггеров

39 - 42 и счетчиков 8. - 12 импуль(20) рПЗ ОП2

1)о пэ 1) о и 2 ® в о раз меньшие, чел1 опорные уровни

+1)пп 2 и оп2 °

На первые входы компараторов 22,.

23, 25 и 26 поступает электрический сигнал (1), а компараторов 24 и 27электрический сигнал (2). В момент

13

15 сов в нуль. Кроме того, в формирователе 1 временных интервалов формируются счетные импульсы, которые устанавливают последовательность ввода в арифметический блок 16 выходных кодов чисел, записанных в счетчиках

8 - 11 и в задатчиках 14 и 15.

В моменты времени перехода в положительном направлении опорного электрического, сигнала (1) через нуль с помощью нуль-органа 28 формируются короткие импульсы. Эти импульсы нормируются по длительности с помощью первого одновибратора 35, а затем усиливаются с помощью усилителя 38 мощности.

Выходные импульсы усилителя 38 мощности используются для автоматической установки в нуль триггеров

39 - 42 и счетчиков 8 - 12 импульсов перед началом процесса измерения, т.е. в начале каждого периода опорного сигнала (1). С помощью формирователя 19 опорных уровней на его первом, втором, третьем и четвертом выходах устанавливают требуемые значения опорных уровней +Боп,, +1)оп2 -1)ап и -1)оп2 . ПолУченные сигналы поступают на вторые входы компараторов 22, 23, 25 и 26 соответственно. Кроме того, опорные уровни +Up и -U, 2 с второго и четвертого выходов формирователя 19 поступают на сигнальные входы первого

20 и второго 21 делителей напряжения.

На управляющие входы делителей 20 и 21 напряжения поступает выходкой сигнал Ug=K.с((или И, =Ь, ) измерителя 43 отношения амплитуд исследуемых сигналов (1) и (2), где К и коэффициенты пропорциональности;, A — отношение амплитуд. В результате на входы третьего 24 и шестого 27 компараторов с выходов делителей 20 и 21 напряжения поступают соответственно опорные уровни (при

К=1) 59308

) времени t, (фиг.1) начала измерения на выходе усилителя 38 мощности формируется импульс, устанавливающий

5 триггеры 39 - 42 а также счетчиУ ки 8, 9, 10 и 12 импульсов в исходное состояние, т.е. в нуль. В моменты времени. t, (фиг.1) на выходах компараторов 22

26 соответственно появляются импульсы сравнения. Эти импульсы объединяются с помощью элементов ИЛИ-HE 29

32 таким образом, что при поступле" нии их через указанные элементы ИЛИНЕ соответственно на счетные входы триггеров 39 — 42 на выходах последних формируются временные интервалы (7), (8), (9) и (13).

Рассмотрим теперь работу блока 18

20 автоматизированного определения номера квадранта и знака измеряемого фазового сдвига.

Сдвинутый по фазе сигнал 1)2() поступает на вход ключа 44 (фиг.4)

25 В момент времени t, перехода через нуль опорного сигнала U,(t) (фиг.1) с выхода нуль-органа 28 формирователя

1 временных интервалов поступает короткий импульс, соответствующий логи3Q ческому нулю, на вход одновибратора

51 блока !8. Одновременно этот импульс поступает на вход инвертора

58 и на вход установки единицы триг гера 54, переводя его в состояние логической единицы на выходе.

С помощью одновибратора 51 формируется импульс заданной длитель,ности 2,, достаточной для заряда емкости интегратора 45, подключенного к выходу ключа 44. Выходной сигнал интегратора 45 поступает на первые обьединенные входы компараторов

46 и 47. На второй вход компаратора

46 поступает опорный уровень +Ю с

45 первого выхода источника 48 опорного напряжения, а на второй вход компаратора 47 поступает опорный уровень

-dU с второго выхода источника 48.

При положительном мгновенном значении сдвинутого по фазе сигнала срабатывает компаратор 46, а при отрицательном - компаратор 47 ° В первом (втором) случае выходной импульс компаратора 46 проходит через элемент 49 (50) И-НЕ на вход установки единицы (нуля) триггера 55, переводя его в состояние логической единицы (нуля) на его прямом выходе.

308

1б мента И: 77 - при коде 111; 7810

30 с5

1559

Одновременно выходной импульс эле- . ментов 49 (50) поступает через инвертор 56 (57) и элемент 33 ИЛИ-НЕ на вход одновибратора 52. Последний

Формирует импульс, соответствующий логическому нулю и длительности с., достаточной для разряда емкости ийтегратора 45. Выходной импульс одновибратора 52 переводит триггер 54 в нуль, тем самым запрещая прохождение выходных импульсов компараторов 46 и 47, и управляет работой интегратора 45

Состояние выходов триггера 55

l5 характеризует знак мгновенного значения сдвинутого по фазе сигнала. Вы" ходные сигналы триггера 55 поступают на первый и второй входы дешифратора

70 20

С помощью блока 18 определяют и знак производной сдвинутого по Фазе сигнала, соответствующий моменту времени t, который определяют с помощью нуль-органа 61. Выходной импульс

25 нуль-органа 61 устанавливает триггер 66 в единицу. В результате на первых входах элементов 64 и 65 И-НЕ появится потенциал, разрешающий прохождение через элементы 64 и 65 выходных импульсов компараторов 24 и 27.

Эти импульсы соответствуют моменту .времени с.с. Они устанавливают тригге ра 67 в состояние логической единицы на его прямом выходе при положи3 тельном знаке .производной и в состояние логической единице на его инверсном выходе при отрицательном знаке производной (Фиг.16), Это достигается подачей импульсов на входы установки единицы или нуля триггера 67.

В блоке 18 задание индуктивного или емкостного характера исследуемой цели осуществляется с помощью задатчика 69 состояния. При индуктивном характере цепи триггер 66 устанав" ливается в единицу на его прямом выходе, а при емкостном характерев единицу на его инверсном выходе.

С помощью дешифратора 70 по состояниям выходов триггеров 55, 67 и 68 Формируются коды признаков (см. таблицу).

Работа дешифратора 70 (Фиг.5) состоит в следующем. C помощью логических элементов И 77 - 84 коды признаков объединяются. В результате сигнал логической единицы появляется на выходе логического эле при коде 101; 81 - при коде 001, 82 - при коде 011, 79 - при коде

110, 80 - при коде 100, 83 - при коде 000, 84 - при коде 010.

С помощью элементов ИЛИ-НЕ 8992 объединяются выходные сигналы элементов И 77, 79, 78, 80, 81, 83, 82 и 84 поскольку они соответствуют квадрантам I, II, III u IV.

Выходы элементов ИЛИ-НЕ 89 - 92 являются соответственно первым - четвертым выходами дешифратора 70 и характеризуют номер квадранта измеряемого фазового сдвига.

Выходы элементов И 77 - 78, 81

82 и 79 - 80, 83 - 84 объединяются с помощью элементов ИЛИ-НЕ 85 и 86 соответственно. Выходные сигналы элементов 85 и 86, соответствующие логическому нулю, являются пятым и шестым выходами дешифратора и характеризуют соответственно положительный и отрицательный знак измеряемого фазового сдвига.

Для формирования сигнала, соответствующего увеличению на 180 результата измерения, в дешифратор вве ден элемент И-ИЛИ-НЕ 87. Входы weментов И блока элементов 87 подключены соответственно к выходам элементов И 81, 82, 79 и 80, а первые объединенные входы - к седьмому входу дешифратора 70, соединенному с выходом компаратора 27 формировате,ля 1. При кодах 00 1, 011, 110 и 100 выходной импульс компаратора 27 пос тупает через элемент 87 на вход одновибратора 88. Последний Формирует счетньсй импульс, который через седьмой вьсход дешифратора 70, третий вход и шестой выход формирователя 1 временных интервалов (через шестой вход элемента 34 и одновибратор 37) поступает на счетный вход счетчика 12 импульсов. Полученный выходной код счетчика 12 импульсов и является командой об увеличении результата измерения на 180 .

После выделения временных интервалов (7), (8), (9) и (1З,с с выходов триггеров 39 — 42 формирователя 1 че рез первый — четвертый выходы формирователя 1 временных интервалов на первые входы элементов И 2 - 5 соответственно поступают прямоугольные импульсы, соответствующие логической

l7

15 единице, длительностью, определяемой выражениями (7). (8), (9) и (13).

На вторые входы элементов И 25 выходов генераторов 6 и 7 поступают прямоугольные импульсы с частотами следования Е „в, (для элементов

2 - 4) и f (для элемента 5). В результате на счетчики S - -10 импульсов поступают соответственно N (10), (11) и Nz (12) импульсов, а на счетчик 11 импульсов - N (14) импульсов. Коды чисел Nq — с выходов счетчиков 8-11 импульсов, а также коды чисел И,и Nв с выходов задатчиков 14 и 15 чисел поступают через мультиплексор 13 в определенной последовательности на вход арифметического блока 16.

Управление работой мультиплексора

l3 и арифметического блока 16 осуцествляется выходным кодом счетчика

12 импульсов. Последний устанавлива ется путем подачи на счетчик 12 через элемент 34 и одновибратор 37 с выходов компараторов 24 - 27 непос-. редственно, а с выходов компараторов

22, 23.и 26 - через элемент ИЛИ-НЕ

33 и второй одновибратор 36. Для осуществления команды "Увеличение результата измерения на 180" на шестой вход элемента ИЛИ-НЕ 34, соединенного с третьим входом формирователя 1 временных интервалов, с выхода блока 18 автоматического определения номера квадранта и знака измеряемого фазового сдвигв поступает дополнительный импульс, характеризующий указанную команду.

С помощью арифметического блока

16 осуществляется вычисление мгновенного значения фазового сдвига электрических сигналов (1) и (2) согласно выражениям (15) или (16). Результат вычисления индицируется отсчетно-регистрирующим блоком 17.

В отличие от известных способов измерения, предлагаемый способ повышает точность измерения за счет исключения аддитивной и мультипликативной составляюцих погреыности измерения, а также за счет реализации нового алгоритма обработки результатов промежуточных измерений, способствующего достижению положительного эффекта.

l.

Выделение и формирование именно временных интервалов длительностью

59308

0, 5Т-gt: „и О, 5Т+дс обеспечивает исключение аддитивной составляющей погрешности, измерения удвоенного (2 „) значения временного сдвига сигналов. При этом время измерения не превышает периода опорного сигнала.

Исключение аддитивной составляюцей погрешности измерения полупериода осуцествляется эа счет выделения не одного, а двух временных интервалов длительностью 0,5Т и измерение их при двух различных частотах н о" ия к в1 ° f кв." .в .

Исключение мультипликативной составляющей погрешности измерения фазового сдвига достигается за счет реализации операции деления и введения коэФфициента пропорциональности No

=(f<-f ) /f,; учитывающего тот факт, что различные временные интервалы измеряются при разных частотах квантования, и приводящего к соответствию масштабов результатов измерений вре" менных интервалов, состоящих в числителе и знаменателе выражения (15).

Кроме того, существенный вклад в повышение точности измерения мгновенного значения фазового сдвига электрических сигналов (1) и (2) вно" сит формирование опорных уровней

+Цоа,, ++0 < 1и +1)она, находящихся в определенных соотношениях между собой. Повышение точности измерения достигается также за счет исключения погрешности от неравенства амплитуд исследуемых сигналов путем предварительного измерения не амплитуд этих сигналов, как в известных способах, а путем измерения отношения амплитуд исследуемых сигналов и использования полученного результата при формировании опорных уровней ойэ on / 4 "oаз=-0опq/ (.

Выполнение условий выбора значений опорных уровней +Uо„, и т1) обеспечивает повышение точности измерения фазового сдвига за счет уменьшения влияния помех шумов на результат измерения при наличии последних в исследуемых сигналах, т.е. обеспе- чивается повышение помехозащищенности устройства, реализующего предлагаемый способ измерения.

1559308

21

Код квадранта

Коды

Квадрант

Измерительный сигнал

Приз- Цепи иаков

Инд. 111

Емк. 110 аО,() 1

- — --- т t зо е З

1 Инд. 101

l0

О Емк . 100

u2(t )ЗО

du з(с) 1 — ---it t 40 з э и (t )зо

Инд. 001

Емк. 000

180 8 у„(270

duI)c 20

4c ), III

"180 а VÄ 4-90 е

270 4 Vä 4360

HHll. 0i 1

Емк. 010

U (to) (О

01

dug(t)i

--- †- t t зо а 3

-90 (q (o

Диапазон значений фазовых сдвигов

0 < Чкй90

-360 а Ч„ -270

90 С Ч, ь180

-270 с Ч„с -180 условия определения номера квадранта

Опорный сигнал

Харак тер иссл. цепи

19

2О

1559308 .

Формула изобретенияСпособ определения мгновенных значений фазового сдвига электрических сигналов, заключающихся в том, что формируют и измеряют временные интервалы, пропорциональные полупериоду и временному сдвигу сравниваемых по фазе сигналов по моментам перехода через нулевой или опорные уровни +Оо,, и -О „,, с последующей обработкой результатов измерений по определенному выражению, о т л ич а ю щ и и с,я тем, что, с. целью повышения точности измерения, дополнительно формируют опорные уровни

+Up>< и -Уо„<э +11опзи -Оопп и временные интервалы 0,5Т-dt„ 0 5T+

+ с„ по моментам времени перехода исследуемых сигналов в противоположных направлениях через опорные уровни +Uб и -Одрз у +Upped и UOAts из

Ойдо меряют значения временных интервалов

0,5Т-дй и 0,57+gt, и значение полупериода при частоте квантования

Е, одновременно формируют дополнительный временной интервал, равный полупериоду исследуемых сигналов, при значениях опорных уровней +У „ и -11 д, измеряют значение дополнительного интервала времени при другом значении частоты квантования

f ФЕ,, формируют трехразрядные коды призйаков, а мгновенные значения фазового сдвига электрических сигналов определяют по выражениям

o f Ф-f Ф N3-Ид

=90 — — - - -..—.

У" Е1 NC. N7 при кодах признаков 111,,101 и 000, 010

o f <-Е Nд-И о

N 90 — — - - .--- + 180

Мх Е ИФ-N

Ф 1 при кодах признаков 110, 100, 001, 011, где 11, — результат измерения временного интервала 0,5Т при частоте квантования Е,>

1 — результат измерения временного интервала 0,5Т-dt nðè частоте квантования f< „

5 N3 — результат измерения временного интервала 0,5Т+дс„ при частоте квантования f

ИФ вЂ” Результат измерения временного интервала 0,5Т при час10 тоте квантования Е йричем знак результата измерения определяют по состоянию младшего разряда кодов признаков: + у при "1 и х

Ч " при

15 2. Способ по п.l, о т л и ч а юшийся тем, что значения опорных уровней +Up„, и -Б щ, +Б оп и -11apz устанавливают из условия 1Б,„, 1

20 11щ (Uppq (> 1 шэ Где U действую щее значение напряжения шума, а

2U в,(УЖО„ (, затем измеряют отно" шение амплитуд (исследуемых сигналов и устанавливают значения опор25 ных уровней +11оп з ° и "опт в 4 раз меньшими, чем значения опорных уровней Up>< и Uon t при этом знаки опорных уровней в каждый полупериод опорного сигнала устанавливают соответствующими знакам сравниваемых

30 сигналов.

3. Способ по п.l, о т л и ч а ю— шийся тем, что коды признаков формируют путем определения знака мгновенного значения сдвинутого по

35 фазе сигнала в момент времени перехода через нуль опорного сигнала в положительном направлении и при знаке

"+" формируют 1 .в старшем разряде кода признака, при знаке "-" соот40 ветственно О, затем определяют знак производной сдвинутого по фазе сигнала в момент времени перехода через нуль опорного или сдвинутого по фазе сигналов и формируют I во втором

45 Разряде кода признака при знаке производной ) 0 и О в случае знака производной .сО, при индуктивном хаРактере цепи в третьем разряде кода признака формируют 1, а при емкост50 ном — О.

1559308

1559308

Составитель И.Катанова

Техред Л.Сердюкова

Редактор Н.Лазаренко

Корректор Т. Иалец

Тираж 543

Подписное

Заказ 836

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.Ужгород, ул.Гагарина, 101