Аналого-цифровой низкочастотный фазометр
Использование: фазоизмерительная техника, измерение угла сдвига фаз междудвумя гармоническими колебаниями в области низких частот. Сущность изобретения: устройство содержит входные формирователи
СО)ОЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
/. с „ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4878317/21 (22) 26.10.90 (46) 07.12.92. Бюл. N 45 (72) В.M,Аване=ов и В.В.Терешков (56) Авторское свидетельство СССР N 432419, кл (3 01 R 25/00, 1974. Авторское свидетельство СССР N 1596269. кл. G 01 R 25/ОО, 1988. (54) АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ НИЗКОЧАСТОТНЫЙ ФАЗОМЕТР (57) Использование: фазоизмерительная техника, измерение угла сдвига фаз между,., Ы „„1780042 Al двумя гармоническими колебаниями в области низких частот. Сущность изобретения: устройство содержит входные формирователи (1,2), RS-триггер 3, 1К-триггер 4, источник 5 постоянного напряжения, элемент И 6. элемент ИЛИ 7. счетные триггеры 8,9, электронные ключи 10,11, инвертор 12, временные селекторы 13,14. генератор 15 счетных импульсов. счетчики 16,17 импульсов, интегратор 18, неинвертирующий усилитель 19, ограничитель 20 напряжения, компаратор 21. цифроаналоговый преобразователь 22. дифференцирующие цепочки 23,24. 2 ил. Рур 17 1780042 Изобретение относится к фаэоизмерительной технике и может быть использовано для измерения угла сдвига фаз между двумя гармоническими колебаниями в области низких частот. Известен цифровой низкочастотный фаэометр (1), содержащий управляемый делитель напряжения, представляющий собой последовательное соединение выходных цепей двух преобразователей код — сопротивление, При этом выходное сопротивление одного из преобразователей пропорционально фазовому сдв>лгу р, а другого пропорционально величине 360 — p. При выполнении этого условия выходное напряжение делителя. на выход которого подается стабильное постоянное напряжение, пропорционально фазовому сдвигу, Недостатком этого устройства является наличие большого числа резисторов и реле — сложность конструкции преобразователя код — сопротивление. а также завиcvIMocTb показаний отсчетного устро>лства от постоянного напряжения U>. нестабильность которого увеличивает погрешность измерения. Наиболее близким к заявляемому является цифровой низкочастотный фазометр (2), использующий метод нахождения hp поэтапным преобразованием интервалов времени h,t и Т в постоянные напряжения с помощью интегратора, входящего в состав АЦП, запоминание полученных напряжений в блоках выборки-хранения с flo следующим нахождением отношения этих напряжений в АЦП двойного интегрирования. Такой фазометр имеет недостатки. Ему свойственно большое время измерения фазового сдвига обусловленное последовательным во времени преобразованием At u Т в постоянные напряжения с помощью интегратора, наличие дополнителнной погрешности, обусловленной тем, что преобразования At и Т в постоянные напряжения осуществляются в течение двух периодов исследуемого сигнала (первый и второй такты интегрирования), причем первый такт (преобразование At) начинается с приходом первого периода исследуемого сигнала, а второй такт (преобразование Т) начинается с приходом второго периода. при изменении частоты колебаний исследуемого сигнала от периода к периоду возможно появление дополнительной погрешности. Кроме того, фазометру свойственна статическая погрешность. зависящая главным гбразом от входного сдвига и 55 дрейфа интегратора и сравнивающего устройства (компаратора). Цель изобретения — повышение быстродействия и увеличение точности измерения фазового сдвига. Цель достигается тем, что в предлагаемом фаэометре преобразования A t и Т а напряжения осуществляются в течение одного периода исследуемого сигнала. Для уменьшения статических погрешностей фазометра его структура изменена так, что точность интегратора в основном определяет общую точность измерения фазового сдвига, На фиг.1 приведена структурная схема фазометра; на фиг.2 — диаграммы напряжений. поясняющие принцип действия фазометра, Фазометр содержит входные формирователи 1 и 2, RS-триггер 3, IK-триггер 4. источник 5 постоянного напряжения, элемен И 6, элемент ИЛИ 7. счетные триггеры 8 и 9. электронные ключи 10 и 11. инвертор 12 временные селекторы 13 и 14. генератор 15. счетных импульсов, счетчики 16 и 17 импульсоа. интегратор 18, неинвертирующий усилитель 19, ограничитель 20 напряжения. компаратор 21, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 22. дифференцирующие цепочки 23 и 24. Фазометр работает следующим образом. Формирующие устройства 1 и 2 вырабатывают короткие импульсы, соответствующие переходу сигналов Ut u Uz через ноль из отрицательных значений в положительные. На выходе RS-триггера 3 вырабатывается импульс, длительность которо о Л, соответствует фазоаому >лнтераалу Ар (сдвигу фаэ) (фиг,2. Оэ). С приходом пускового импульса (фиг.2:ПУСК) в момент времени t„триггеры 4.8.9 устанавливают в нулевое состояние. счетчик 17 обнуляется. Короткий импульс. приходящий с выхода формирователя 2. а момент т1 переводит триггер 4 в едлничное состояние, Это происходит потому. что а момент времени tt IK-триггер 4 находигся а счетном режиме. так как íà I- и,— âõîäàõ присутствует единица. т.е. сигнал инвертирующего выхода триггера 8 (фиг.2. Ië). Hà выходе триггера 4 вырабать1ааетгя импульс (фиг.2, U4), открывающий временнс>й селектор 13 и на вход счетчика 16 разрешается прохождение счетных импульсоа частотой f.> с выхода генератора 15. По переднему фронту импульса триггера 4 дифференциру >ощая цепочка 23 вырабатыааеT имгульс. обнуляющий счетчик 16. Таким образом 1780042 (2) момент начала счета исходное состояние счетчика 16 — нулевое. В момент времени t2 на выходе элемента И 6 вырабатывается импульс (фиг.2, Об), открывающий ключ 10, На вход интегратора 18 поступает положительное напряжение с выхода источника 5. Напряжение на выходе интегратора начинает убывать по линейному закону (фиг.2, U<7). В момент времени 1з триггер 4 переводится в нулевое состояние (фиг.2, 04), триггер 8 — в единичное. На входы I и К IK-триггера 4 поступает нулевой уровень и сигналы на входе C не вызывают изменения состояния триггеров 4 и 8 до следующего прихода сигнала ПУСК, В момент времени тз временной селектор 13 закрывается, в счетчике 16 фиксируется число импульсов N: N=ro (1з-11)= Т. (1) где Т вЂ” период исследуемого сигнала. В этот же момент времени электронный ключ 10 закрывается и к моменту времени тз напряжение на выходе ингегратора 18 1 1 Оинт = — /О CIt = — — 0(тЗ t2) = 2 7 — — — ht, U где U — напряжение источника 5: 7 — постоянная времени интегратора: (1з - т2) — времен ной интервал интегрирования, соответствующий фазовому сдвигу hp. В момент времени 1з также происходит переключение триггера 9 в единичное состояние (фиг.2. Ug) и на его выходе появляется импульс. открывающий временной селектор 14, на вход счетчика 17 разрешается прохождение счетных импульсов с генератора 15 (фиг.2. 0>4). элемент И 6 переключается в нулевое состояние, ключ 10 закрывается. на выходе инвертора 12 вырабатывается импульс. открывающий ключ 11, На вход интегратора 18 поступает напряжение с выхода ЦАП 22 Оцап = Кп N Uorp. (3) где Кп — коэффициент преобразования ЦАП 22; Uorp выходное напряжение ограничителя 20. Следует отметить, что коэффициент усиления усилителя 19 выбирается достаточно большим, поэтому практически с началом интегрирования 0 на интервале тз — 12 усилитель 19 попадает в режим насыщения (фиг,2. U>s), Фазы передачи сигнала интегратором и усилителем 19 выбраны таким образом, что напряжение насыщения 01в всегда имеет противоположную полярность к U. Использование ограничителя 20 напряжения. в наиболее простом варианте выполненного на стабилитроне, подключенном к выходу усилителя 19 через балластный резистор. которое в зависимости от N преобразуется 5 в напряжение Оц, позволяет сформировать напряжение, служащее в последующем такте интегрирования в качестве опорного. Выходное напряжение интегратора после подачи на его вход начинает изменяться 10 в противоположную сторону и к моменту времени tx достигнет 0: 1 х Оинт —. / Оцап dt = О. (4) и Решая уравнение (4) относительно (t,v). получим U-- u At тх 13 =7 О» К N Up 1 U 1 Л1 (5) 20 Кп Оо p I o По окончании разряда емкости интегратора усилитель 19 выходит из насыщения и попадает в активный режим. Перепад напряжения на выходе усилителя 19, образующийся при уравновешивании, приводит к срабатыванию компаратора 21 (фиг.2, 02n) и на выходе дифференцирующей цепочки 24 вырабатывается короткий импульс (фиг.2, 02з), переключающий триггер 9 в нулевое состояние (фиг.2, Ug). Временной селектор закрывается, в счетчике 17 устанавливается число импульсов Nx = fo (tx тз). (6) С учетом выражения (6) уравнение (5) 35 Римет вид 1 U h,t 1х — - =К р< =N.ü Кп Uorp Т Г 1 0 где К = — — общий коэффициент преКп Uorp 4Q образования. Выбирая значение К = 3.6 10", где n— —:1.2.3.... можно получить отсчет N непосредственно в градусах. Следует отметить, что электронный 45 ключ 11 остается замкнутым до начала следующего цикла преобразования. интегратор 18 и усилитель I9 оказываются охваченными отрицательной обратной связью (ООС) через ограничитель напряжения и ЦАП. Боль5Q шое усиление в петле ООС на постояйном токе способствует поддержанию на выходе интегратора нап ряжения, равного сдвигу на входе усилителя 19 (при отсутствии сдвига на входе интегратора) до следующего цикла и реоб разования. Исходя из вышеизложенного следует, что изменение структуры преобразования позволяет обеспечить следующие преимущества заявляемого устройства. приводимые в сравнении с прототипом. 1780042 За счет гого. что преобразование временных интервагов Л и Т в постоянные напряжения происходит в течение интервала времени Т, т.е. за время одного периода; исключается погрешность, появление которой возможно за счет изменения частоты сигнала в процессе измерений, таким образом, фазометр позволяет определять мгновенное значение фазового сдвига, уменьшается значение статической погрешности, обусловленной входным сдвигом и дрейфом интегратора и сравнивающего устройства за счет введения следящей ООС с выхода усилителя 19 на вход интегратора. Формула изобретения Ааналого-цифровой низкочастотный фазометр, содержащий счетчик импульсов, два формирователя, два электронных ключа, re»epaòîð счетных импульсов, RS-триггер, источник опорного напряжения. компаратор, интегратор. временной селектор, при этом входы формирователей являются входами фазометра. выход первого формирователя подключен к S-входу. а выход второго — к R-входу RS-триггера, выход источника опорного напряжения через первый ключ соединен с точкой, объединяющей вход интегратора и выход второго электронногоо ключа, вь ход генератора импульсов соединен с входом временного селектора. выход которого соединен с входом счетчика. отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия и увеличения точности измерения Фазового сдвига, в него введень:! К-триггер первый и второй счетные триггеры, элемен-. ИЛИ. элемент И, второй временной селектор, втс рой счетчик. цифроаналоговый преобразователь, ограничитель напряжения, неинвертирующий усилитель, инвертор. первая и вторая дифференцирующие цепочки. причем С-вход IKтриггера соединен с выходом второго 5 формирователя, а выход объединяет C.-выходы первого и второго счетных триггеров. входы второго временного селектора, первой дифференцирующей цепочки и второго входа элемента И, первый вход которого 10 соединен с выходом RS-триггера, а выход— с вторым входом первого электронного ключа и входом инвертора, выход которого соединен с первым входом второго электронного ключа, вход неинвертирующе15 го усилителя соединен с выходом интегратора. а выход — с входами ограничителя напряжения и компаратора, при этом выход ограничителя соединен с входом опорного напряжения цифроаналогового и реобразо20 вателя, выход которого соединен с вторым входом второго электронного ключа, выход компаратора соединен через вторую дифференцирующую цепочку с вторым входом элемента ИЛИ. выход которого соединен с 25 R-входом второго счетного триггера, выход которого соединен с вторым входом первого временного селектора. инвертирующий Bbl ход первого счетного триггера соединен с Iи К-входами IK-триггера. второй вход второЗО го временного селектора соединен с выходом генератора счетных импульсов. а выход — с входом второго счетчика импульсов, выходная шина соединена с входной шиной цифроаналогового преобразователя. 35 выход первой дифференцирующей цепочки соединен с входом сброса второго счетчика R-входы IK-триггера, первого счетного триггера. первого счетчика и первого входа элемента ИЛИ объединены с третьим входом 40 фазометра, входом "Пуск". 1780012 Редактор Заказ 4434 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35. Раушская наб., 4/5 0 д» Уу 0 лу: Р Ц Og д Составитель С. Чернякова Техред M.Ìoðãeíòàë Корректор В. Петращ Производственно-издательский комбинат "Патент". г. Ужгород, ул.Гагарина. 101
