Устройство для определения знака разности фаз
Использование: измерительная техника , определение знака разности фаз двух синусоидальных сигналов. Сущность изобретения , устройство содержит блок деления , формирователь импульсов, амплитудный детектор, блок выборки-хранения , блок сравнения, 3 ил.
{st)s G 01 R 25/00
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
Комитет Российской Федерации по патентам и товарным. знакам (21) 5027468/21 (22) 17.12,92 (46) 07,09.93. Бюл. N 33 — 36 (76) Келехсаев Б, Г. (56) Авторское свидетельство СССР
)Ф 1138760, кл. С 01 P 25/00.
Авторское свидетельство СССР
М 1503025, кл. С 01 Р 25/00.
Авторское свидетельство СССР
681503026. кл. С 01 P 25/00.
Авторское свидетельство СССР
М 1195275, кл. С 01 P 25/00.
Авторское свидетельство СССР
М 1167524, кл. С 01 P 25/00.
Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам определения знака разности фаэ двух синусоидальных сигналов напряжения или тока одной частоты, и предназначено для преимущественного использования в прецизионных устройствах, обеспечивающих с приемлемой точностью определение знака при малых или близких 90 и 180 абсолютных значениях этой разности в инфранизкочастотном диапазоне, при этом амплитуды сигналов могут значительно различаться между собой и меняться в широких пределах.
Известны различные устройства определения сдвига фаз, которые позволяют также определять и знак разности фаэ (1, 2. 31, Такие устройства характеризуются значительной сложностью иэ-за большого количества вспомогательных устройств и элементов, использующихся для формиро. БЫ„ 2000579 С (54) УСТРОЙСТ80 ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ЗНАКА РАЗНОСТИ ФАЗ (57) Использование: измерительная техника, определение знака разности фаэ двух синусоидальных сигналов. Сущность изобретения: устройство содержит блок деления, формирователь импульсов, амплитудный детектор, блок выборки-хранения, блок сравнения, 3 ил. вания дополнительных импульсов в определенные моменты времени, сравнения временных интервалов определения коэффициентов модуляции, корреляции и осуществления других функциональных преобразований, Кроме значительных трудностей по из- ЬЭ готовлению и настройке возникают погреш- () ности определения знака разности фаз при () малых сдвигах и близких 90, 180 их абсолютных значений, а также при малой ампли- у туде хотя бы одного из сигналов, частота которых лежит в инфранизкочастотном диапазоне.
Ю
8 укаэанных условиях погрешность определения знака разности фаз становится () значительной из-за того, что на инфранизких частотах существенно уменьшается скорость изменения сигналов и время срабатывания пороговых устройств становится неоднозначным, причем эта неодно2000579 эначность еще более возрастает при малых значениях амплитуд(или амплитуды хотя бы одного из сигналов). и разностях фаэ, кратных 90О, при этом длительности формируемых дополнительных импульсов имеют значительный разброс, что в целом увеличивает погрешность измерения знака разности фаз.
Известно устройство (4). более простое по конструкции, содержащее основные и дополнительные формирователи, два триггера и логические элементы И-НЕ.
Устройство характеризуется недостаточной точностью измерения разности фаэ при малых амплитудах сигналов в инфранизкочастотном диапазоне при значениях сдвигов фаз, близких и кратных 90 .
Наиболее близким техническим решением к заявляемому по большему количеству сходных существенных признаков является устройство для определения знака разности фаэ (5). основанное на измерении фазового сдвига с помощью цифровых кодов, содержащее три формирователя импульсов, подключенных к трем входам устройства, два из которых — сигнальные, а третий — опорного сигнала, счетчик импульсов, генератор, регистры и блок сравнения подключенный к выходу устройства.
Недостатком устройства является значительное возрастание погрешности измерения при малых амплитудах исследуемых сигналов в инфранизкочастотной области и особенно при значениях разности фаз между ними, близких к нулю или кратных 90".
Этот недостаток свойственен всем устройствам порогового типа, принцип работы которых основан на сравнении исследуемого напряжения с порогом. и погрешность обусловлена неопределенностью времени срабатывания соответствующих блоков устройства при работе в укаэанных условиях.
Целью изобретения является уменьшение погрешности определения знака разности фаэ в области инфрэнизких частот и абсолютных значениях разности фаз, близких к значениям, vðàòíûì 90 . о
Цель достигается тем. что устройство для определения знака разности фаз. содержащее формирователь импульсов. подключенный к одному из сигнальных входов устройства, и блок сравнения, выход которого является выходом устройства, дополнительно содержит блок деления, амплитудный детектор и устройство выборки и хранения. причем два входа деления— один для сигнала-делимого. другой для сигнала — делителя — подключены к двум входам устройства и к входу сигнала-делителя подключен вход формирователя импульсов, 5
55 выход блока деления соединен с входами амплитудного детектора и устройства выборки и хранения, а выходы двух этих блоков подключены к двум входам блока сравнения, соответственно управляющие входы устройства выборки и хранения, амплитудного детектора и блока сравнения подключены, соответственно к первому, второму и третьему выходам формирователя импульсов, формирователь импульсов содержит фазовращатель, первый и второй компараторы и две логические схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и И-НЕ, причем фаэовращатель и первый компаратор подключены к сигнальному входу формирователя импульсов, выход фазовращателя соединен с входом второго компаратора, выход последнего подключен к первому выходу формирователя импульсов, к первому входу логической схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ
ИЛИ и к первому входу логической схемы.
И вЂ” НЕ, выход первого компаратора подключен к второму входу логической схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, ее выход подключен к второму выходу формирователя импульсов и к второму входу логической схемы И вЂ” НЕ, выход которой подключен к третьему выходу формирователя импульсов.
Функциональная схема устройства представлена на фиг. 1. функциональная схема одно из блоков устройства — формирователя импульсов — представлена на фиг, 2; временная диаграмма работы устройства представлена на фиг. 3, Устроиство содержит блок 1 деления, формирователь 2 импульсов. амплитудный детектор 3, устройство 4 выборки и хранения, блок 5 сравнения.
Два входа блока 1 деления подключены к двум сигнальным входам устройства — отмечены сигналами U>(t), Uy(t) на фиг. 1. Вход формирователя 2 импульсов подключен к сигнальному входу устройства, на который поступает сигнал-делитель 0у(1). Выход блока 1 деления подключен к входу амплитудного детектора 3 и к входу устройства 4 выборки и хранения, выходы последних подключены к двум ходам блока 5 сравнения. Управляющие входы 3, 4 и 5 блоков подключе> ы соответственно к первому, второму и третьему выходам формирователя 2 импульсов.
Формирователь 2 импульсов содержит фазовраща1ель 6, первый компаратор 7, второй компэра гор 8, логическук) схему ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 9, логическую схему И—
НЕ 10.
Вход 4)азоврао>ателя 6 подключен к сигнально>лу входу формирователя 2 импульсоя, от>лечен сигна 10М-делителем Uy(t) (фиг.
2000579
2). К этому же входу подключен вход первого компаратора 7, Выход фаэовращателя 6 подключен к входу второго компаратора 8, выход последнего подключен к первому выводу формирователя 2 импульсов, к первому входу схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 9 и к первому входу схемы И вЂ” НЕ 10. Выход первого компаратора подключен к второму входу схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, ее выход подключен к второму выходу формирователя 2 и к второму входу схемы И вЂ” НЕ 10, выход которой подключен к третьему выходу формирователя 2 импульсов.
Устройство работает следующим образом.
СИНУСОИдаЛЬНЫЕ СИГНаЛЫ Ох(1) И Uy(t) ПОступают на два входа блока 1 деления и одно из них, например Ох(1), является делимым, а второе — Ugt) — делителем.
Частное от деления сигналов U> будет представлять собой периодическую функцию, изменяющуюся по закону, близкому к
"тангенсу" или "котангенсу" и в зависимости от знака разности фаэ исходных будет представлять собой либо убывающую функцию на каждом полупериоде То сигнала делителя я Оу(т), как на фиг. 3. i для положительной разности фаз, либо возрастающую функцию для отрицательной разности фаз, Приближенность зависимостей обусловлена тем, что в начале и конце каждого полупериода функции будут иметь не бесконечные, а некоторое конечное значение А. Сигнал U> поступает на амплитудный детектор 3 и на устройство 4 выборки и хранения, которые управляются сигналами с формирователя 2, поступающими в определенной временной последовательности.
Третий сигнал с формирователя 2 падает на управляющий вход блока 5 сравнения.
Управляющие сигналы с трех выводов форми ровател я 2 и редста елены на фиг, 3.3, 3.4, 3.5.
На вход формирователя 2 поступает входной сигнал-делитель Оу(т), который подается на вход фаэовращателя 6 и на вход первого компаратора 7. Фазовращатель 6 сдвигает входной сигнал íà yron л /2, и этот сигнал с его выхода поступает на вход второго компаратора 8. На выходах компараторов 7 и 8 получают прямоугольные логические импульсы длительностью То в половину периода синусоидального сигнала, сдвинутые друг относительно друга на тт /2 — сигналы U7 и Оя на фиг. 3.2 и 3.
Сигнал Ое поступает на первый выход формирователя 2 и подается на управляющий вход устройства 4 выборки и хранения, Сигнал Ов в течение 1/2 периода в пер5 вой и последней четвертях нулевого периода сигнала-делителя является сигналом нулевого уровня и одновременно сигналом для режима "выборки" блока 4 выборки и хранения информации, другая часть сигнала
10 во второй и третьей четвертях периода сигнала-делителя является сигналом, осуществляющим режим "Хранение" — фиг. 3;3
Сигналы От и Ое поступают на логическую схему ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 9, которая формирует сигнал Ug (фиг. 3,4) в виде логических единиц в каждых первой и третьей четвертях периода, когда совпадают логическая "1" и логический ноль сигналов От и U8 соответственно, ео второй и
20 третьей частях периода на выходе схемы 9 формируется логический "0". Сигнал с выхода схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 9 поступает на второй выход формирователя 2 и подается на управляющий вход амплитуд25 ного детектора 3.
На два входа логической схемы И-НЕ 10 поступают сигналы Ов и Ug, иэ которых на ее выходе формируется разрешающий сигнал логического "0" в третьей четверти каждого
30 периода, когда сигналы Ue u Ug имеют логическую "1".
Сигнал логического "0" (напряжение Ою на фиг. 3.5) обозначен "Измерение", Сигнал с выхода схемы И вЂ” НЕ 10 посту35 пает на третий выход формирователя 2 и подается на управляющий вход блока 5 сравнения.
При поступлении сигнала Ua в виде логического "0" с первого выхода формирова40 теля 2 на управляющий вход УВХ 4 е первую четверть периода осуществляется режим выборки и на выходе УВХ 4 идет повторение сигнала Ui (фиг. 3.6, напряжение U4). В течение второй и третьей четвертей периода
45 сигнал Ua принимает значение логической
"1" и осуществляется режим хранения, т. е. в течение этого времени на выходе УВХ 4 будет сохраняться напряжение. которое было на его выходе в конце первого периода.
50 например. величиной В (фиг. 3.6). В четвертой четверти периода УВХ 4 снова р ботает в режиме выборки и на его выходе повторяется напряжение Ut (сигнал О4 на фиг. 3.6).
В следующий период повторяется ана55 логичный режим работы УВХ 4.
Когда сигнал Ug с Второго выхода фор мирователя 2 равен логической "1" в первой и третьей четвертях периода, то при поступлении его на управляющий вход амплитудного детектора 3 последний осуществ2000579 ляегдетектирование сигнала U! и на выходе амплитудного детектора 3 будет в эти четверти периода поддерживаться сигнал. равный амплитуде А сигнала U! и сохраняющий знак этого сигнала, а во второй и четвертой четвертях периода, когда Ug равно логическому "0", происходит сброс выходного напряжения блока 3, как показано на фиг, 3, 7, напряжение Оз.
При поступлении управляющего сигнала 01о с третьего выхода формирователя 2 импульсов на блок 5 сравнения происходит сравнение сигналов в третьей четверти каждого периода, когда напряжение Utp соответствует логическому "0": сигнала Оз амплитудой А с выхода амплитудного детектора 3 и сигнала U4 с выхода УВХ 4, амплитуда которого в третьей четверти периода равна В.
Блок сравнения выполнен как дифференциальный усилитель, поэтому на его выходе будет формироваться последовательность импульсов положительной полярности при А>В, как в рассматриваемом примере (фиг, 3.8, сигнал Ug), Дифференциальный усилитель, на котором построен блок 5 сравнения, блокируется в трех остальных четвертях периода (первом. втором и четвертом), когда сигнал U to соответсгвует логическому "0".
Таким образом, при положительном знаке разности фазы, когда Ux(t) опережает
Uy(t), на выходе устройства будет последовательность положительных импульсов, KdK в выше приведенном примере, При отрицательном знаке разности фаэ. т. е. когда Uy(t) опережает Ux(t). выходной сигнал блока 1 деления О! будет иметь форму, приближающуюся к тангенсу. (фиг. 3.9) и для этого варианта работы устройства сигналы с выходов блоков 4 и 3 будут иметь противоположное соотношение U4 >Оз (в первом
1 1 примере Оз>04) (фиг. 3.10, 3.11 соответственно). В этом рассматриваемом случае
В >А и дифференциальный усилитель блока 5 сравнения будет формировать импульсы отрицательной полярности в каждой третьей четверти периода (фиг. 3.12, напряжение Us).
Таким образом, о знаке раэносги фаз между сигналами судят по полярности выходной последовательности импульсов.
Информация о знаке разности фазы нужна либо в устройствах измерения фазы и тогда полученные последовательности преобразуют в управляющие импульсы для общей измерительной схемы, либо зта информация необходима для самостоятельной регистрации, в этом случае полярность последовательности импульсов может быть
55 определена, например, с помощью стрелочного прибора с нулем по середине шкалы или при цифровой регистрации эти последовательности могут быть использованы как логические управляющие импульсы, Все блоки устройства могут быть выполнены на стандартных микросхемах и все устройство в целом занимать плату размером 100х200 мм.
Заявляемое устройство, основанное на принципе логической обработки сигнала, полученного от деления искомых сигналов, и формирования на выходе последовательностей сигналов двух видов, позволяет определять знак разности фаз с высокой точностью в областях. где другие устройства работают со значительной погрешностью, а именно в инфранизкочастотной области и при значениях сдвигов фаэ, близких или кратных 90 . При этом к точностным характеристикам блоков устройства не предъявляются высокие требования. так как точность определения заложена в принципе, на котором основано устройство.
При практическом испытании устройства с помощью задающего генератора синусоидальных колебаний низкой частоты и последующем моделировании на компьютере анализ напряжений на выходе блока деления показал, что даже при частотах 0,2 Гц и абсолютном значении разности фаз 0.1 значения А и В частей сигнала на выходе блока деления (и, соответственно А и В) отличаются между собой не менее, чем на
20, и легко различаются дифференциальным усилителем, на котором построен блок сравнения.
Известное устройство — один иэ лучших на сегодня промышленно освоенный фаэометр Ф2-34 — позволяет определять кроме сдвига фаз и знак разности фазы, но гарантирует воэможность определения до значения сдвига фазы l Формула изобретения Устройство для определения знака разности фаз, содержащее формирователь импульсов, подключенный к одному из сигнальных входов устройства. и блок сравнения, вы,од которого является выходом устройства, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что оно дополнительно содержит блок деления, амплитудный детектор и устройство выборки и хранения. причем два входа блока деления— один для сигнала — делимого, другой для сигнала-делителя подкл!очены к двум входам устройства. и к входу сигнала-делителя подключен вход формирователя импульсов, выход блока деления соединен с входами 2000579 10 амплитудного детектора и устройства выборки и хранения, а выходы двух этих бло,ков подключены к двум входам блока сравнения соответственно, управляющие входы устройства выборки и хранения. амплитудного детектора и блока сравнения подключены соответственно к первому, второму и третьему выходам формирователя импульсов. 2. Устройство по и. 1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что формирователь импульсов содержит фазовращатель, первый и второй компараторы и две логические схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и И-НЕ, причем фазовращатель и первый компаратор подключены к сигнальному входу формирователя импульсов, выход фазовращателя соединен с входом второго компаратора. выход последнего подключен к первому вы5 ходу формирователя импульсов, к первому входу логической схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и к первому входу логической схемы И-НЕ, выход первого компаратора подключен к второму входу логической схемы ИСК10 ЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. ее выход подключен к второму выходу формирователя импульсов и к второму входу логической схемы И-НЕ, выход которой подключен к третьему выходу формирователя импульсов. 2000579 Составитель С,Чрнякова Техред М.Моргентал Корректор Е. Папп Редактор Заказ 3078 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101 11 Af Тираж Подписное НПО "Поиск" Роспатента 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.. 4/5 +3 8 Рю
