Цифровой фазометр

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

892343

-а (61) Дополнительное к авт, сеид-ву (22) Заявлено 290180 (21) 2875957/18-21 с присоединением заявки HP— (23) Приоритет—

Опубликовано 231281. Бюллетень М 47

Дата опубликования описания 2312.81 5 < „з

G 01 R 25/00

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (53) УДК 621.317.373 (088.8) (72) Автор изобретения

В.A. Карелин (71) Заявитель (54) ЦИФРОВОЙ ФАЗОКЕТР

Устройство относится к фазоизме- рительной технике и может быть использовано в прецизионных цифровых фазометрах.

Известен цифровой фазометр, содержащий формирующие блоки опорного и измерительного каналов, генератор квантующих импульсов, триггеры, счетчик импульсов, схемы совпадения и делитель частоты (1).

Недостатком устройства является. наличие значительной ошибки измерения фазового сдвига, вносимой формирующими блоками, которые содержат усилители-ограничители, формирующие прямоугольное напряжение иэ гармонического сигнала.

Известен цифровой фазометр, который содержит формирователи опорного и измерительного каналов, генератор квантующих импульсов, триггер, счетчик импульсов с индикацией, схемы совпадения, триггеры, дополнительный счетчик и элемент задержки (2).

Недостатком известного устройства является значительная ошибка измерения из-эа флюктуаций прямоугольных напряжений на выходах формирователей опорного и измерительного ка.налов.

Цель изобретения-повышение точности измерения фазового сдвига.

Поставленная цель достигается тем, что цифровой фаэометр, содержащий триггер, генератор квантующих импульсов, элемент совпадения, счетчик с индикацией и формирователь в каждом иэ двух каналов, снабжен N-1 триггерами, комбинационным дешифраО тором, сумматором, регистром памяти, блоком управления и в каждом иэ каналов N-1 формирователями, причем входы формирователей каждого иэ каналов объединены, первые выходы каж15 дого из формирователей второго канала соединены соответственно с первыми установочными входами каждого из N триггеров,,выходы каждого из N

:.формирователей первого канала сое2О динены соответственно со вторыми установочными входами каждого иэ N триггеров, первый и второй выходы триггеров подсоединены к входам комбинационного дешифратора, выход которого соединен с кодовыми входами блока управления и с первыми входами сумматора, выходы которого соединены с входами регистра памяти, вход синхронизации всех формирова30 телей, с входом синхронизации блока

892343 упранления и с выходом генератора квантующих импульсов, а выходы соединены с вторыми входами сумматора и с кодовыми входами счетчика с индикацией, счетный вход которого соединен с выходом переноса сумматора, а вход сброса — с входом сброса регистра памяти и с первым выходом блока управления, второй и третий вы ходы которого соединены с соотнетствующими третьими и четвертыми установочными входами всех триггеров, четвертый выход — с управляющими входами N формирователей первого канала, а управляющий вход — с выходом элемента совпадения, входы которого соединены соответственно с вторыми выходами формирователей второго канала.

Па чертеже представлена структурная схема цифрового Фазометра.

Цифровой фазометр формирователя

1-1-1-И первого канала формирователи

2-1-2-N второго канала, генератор 3 кнантующих импульсов, триггера 4-14-М, комбинационный дешифратор 5, сумматор б,регистр 7 памяти, элемент

8 совпадения, блок 9 управления, и счетчик 10 с индикацией.

ЦиФровой Фаэометр работает следующим образом.

Перед началом измерении триггеры

4, регистр 7 памяти и счетчик 10 с индикацией находятся в нулевом состоянии, поэтому к входам сумматора б с выходов комбинационного дешифратора 5 и с выхода регистра 7 памяти приложены двоичные коды 0

1 а значит, "-c каждому импульсу генератрра 3 кнантущцих импульсов происходит суммирование нулей н сумматоре 6, сигнала переноса на выходе сумматора о не возникает, и счетчик 10 с индикацией остается в нулевом состоянии. С четвертого выхода блока 9 управления на управляющие входы формирователей 1-1-1-N подается сигнал, разрешающий проход сигнала на входы формирователей 1-1-1-N.

Возможны,vaa режима работы: а) работа при измерении некритических фазовых сдвигов, т.е. когда (,, + A . (, аХ. где - временной сдвиг между исследуемыми найряжениями

U и U, б - среднекнадратическое отклонение фронтов сигнала формирователей

1 и 2 первого (опорного) и второго (измерительного) каналов от своего среднего значения, сонпадающегo с моментом перехода сигналов U и U через нулевой уровень;

Т р„ " время срабатывания триггеров 4; б) работа при измерении критических фазовых сдвигов,. т.е. когда7<б,; т «< 6 . Рассмотрим первый случай

7 +y сраг, ()порный гармонический канал поступает на входы формирователей 1-1-1-N,â которых из неФормируются прямоугольные напряжения. Фронты прямоугольных напряжений с большей и меньшей точностью соответствуют моментам перехода через нуль сигнала. Ближайший за передним (задним) фронтом прямоугольного напряжения импульс с выхода генератора 3 квантующих импульсов в каждом Формирователе проходит на его

)выход и переводит соответствующий триггер 4-1-4-N в единичное состояние. Считаем, что 6 >То, гдс Т вЂ” пе15 риод кнантующих импульсов так как

Г только н этом случае имеет смысл снижение погрешности измерения изза флюктуаций фронтов сигнала формирователя. При достаточной развязке формирователей можно считать эти

2О флюктуации не коррелированными, поэтому н промежутке времени между срабатыванием первой группы триггеров

4 и срабатыванием всех N триггеров 4 число сработавшнх триггеров является случайной величиной. Пусть н первый момент времени н единичное состояние перешла часть Б„ триггеров 4. Комбинационный дешифратор 5 анализирует выходы всех триггеров 4-1-4-N и преобразует число N â двоичный код, который с выхода комбинационного дешифратора 5 поступает на первые входы сумматора б. Теперь по каждому импульсу генератора 3 квантующих импульсов к содержимому регистра 7 памяти прибавляется число N . Сумматор б сужжрует числа по модулю N и сиг1 нал переноса с выхода Р поступает на счетный вход счетчика 10 с индикацией. Так будет продолжаться до сраба40 тывания следующей группы триггеров 4.

Допустим, что до этого момента генератор 3 выработал и кванту@щих

1 импульсов. Тогда число, зарегистрированное в регистре 7 памяти и в счетчике 10 с индикацией равно N П

Если обозначить N число триггеров

4, находящихся в единичном состоянии после срабатывания второй группы триггеров 4, à n < - число квантующих импульсов, выработанных генера-. тором 3 с момента времени срабатывания второй группы триггеров 4 до момента времени срабатывания третьей группы триггеров 4, то число зарегист"рированное в регистре 7 памяти и счетчике 10, будет Ы,п„ +Nt1ng.. Очевидно, что общее число, зарегистрированное в регистре 7 и счетчике 10 на момент срабатывания всех триггеров 4, можно выразить

60 к

Х . И; n„, ь1 1 1 где к - число групп одновременно сработавших триггеров 4. После перехода в единичное состояние всех N

892343 к .ЕМ1n„+ N i

ys1

"а (3}

ZNn.

3= .. где t.<

55

65 триггеров 4, на выходе комбинационного дешифратора устанавливается двоичный код числа N, который по каждому импульсу генератора 3 квантующих импульсов суммируется с содержимым регистра 7 памяти по модулю И и, сигнал переноса с выхода P сумматора 6 фиксируется счетчиком 10.

Следовательно, общее зарегистрированное число выражается где n — число импульсов, выработанных генератором 3 эа время нахождения всех N триггеров

4 в единичном состоянии.

Входной сигнал измеряемого канала

0 1 поступает на входы формирователей

2-1-2-N, которые, как и в случае опорного канала, формируют прямоугольное напряжение из гармонического сигнала U<, и ближайшие, следующие эа передним (задним) фронтом прямоугольных сигналов, импульсы генератора, 3 квантующих импульсов проходят на выходы формирователей 2 измерительного канала и перебрасывают триггеры 4 в нулевое состояние. Поскольку фронты прямоугольного напряжения формирователей флюктуируют вокруг своего среднего значения, и, учитывая, что б о То, то переход триггеров 4 в нулевое состояние в

Кнтервале времени от обнуления перЬой.группы триггеров 4 до установки. и 0 " всех N триггеров 4 представляет из себя случайный процесс. Поэтому по аналогии с работой опорноГо канала можно написать число, зарегистрированное в регистре 7 и в счетчике 10 за интервал времени от перехода в нулевое состояние первой еруппы триггеров 4 до обнуления всех

И триггеров 4 в следующем виде где N — число триггеров 4 остав3

I шихся в единичном состоянии после обнуления j-ой группы триггеров 4;

n. — число импульсов выработанj

I ных генератором 3 квантующих импульсов в промежутке между обнулениями j-ой и (j+1)-ой группами триггеров 4;

m — число групп одновременно обнуленных триггеров.

После перехода в нулевое состояние всех N триггеров 4 на первые входы сумматора б с выходов комбинационного дешифратора 5 подается код 0 и увеличение содержимого рэгистра 7 памяти счетчика 10 по импульсам генератора 3 прекращается.

При этом в регистре 7 и счетчике 10 фиксируется суммарное число n . общ. пропорциональное измеряемому фазовому сдвигу.

5 б

=7hl Q. N М . о5 ц . „i 1 о .„

Среднее значение измеренного интервала Тср можно выразить

ОЯ То II Ф Я. (2) се — к — -;еn.T +in т +L, т - о оо )он

15

Проанализируем первое слагаемое в выражении (2), найдя предел, по которому оно стремится при N- и

То О. Очевидно, что в этом случае произведение п1 Т переходит в непрерывную случайную величину t, характеризующую флюктуации фронтов прямоугольного напряжения формирователей

N

1, отношение — 1- превращается в плот25 ность вероятности случайной величины t ю (Q), а сумма заменяется ин: тегралом, т. e., )(, оо

Е С,. (,— N" =,Р(.„))а -аД= о.

К0,-=1 1 0 о

Следовагельно, при То 0 и И первое слагаемое в (2) равно математическбму ожиданию случайной величины 1,)М(t ),равному t0-моменту перехода гармонического сигнала U< через нулевой уровень, а при конечных N a Т дает несмещенную состоятельную оценку N(t ).

Аналогичные рассуждения для третьего слагаемого в выражении (2) дает случайная величина, характеризующая флюктуации фронтов прямоугольного напряжения формирователей 2 измерительного канала;

ы (ty ) — плотность вероятности

l случайной величины;

9(t,) ) — математическое ожидание;

t о момент перехода гармонического сигнала Uy через нулевой уровень.

Очевидно, что т "с " ( обм. о,. (5)

N co N eo

Т о

892343 а при конечных Та и No c является несмещенной состоятельной оценкой измеряемой величины Г .

Таким образом, в цифровом фазометре осуществляется измерение фазового сдвига как бы в N независимых каналах с усреднением результата в одном счетчике. Пусть 5 дисперсия флюктуаций фронтов прямоугольного напряжения. формирователей

1 и 2,,тогда при измерении интервала

Т при использовании известных устройств, среднеквадратическая ошибка измерения эа один период исследуемого сигнала выражается

< = lj< + >< =7 2 5< . (б) Использование предлагаемого устройства дает среднеквадратическую ошибку измерения (7) Сравнивая выражения (6) и (7) видно, что применение настоящего устройства позволяет снизить средзового сдвига, вызванную флюктуациями фронтов прямоугольных напряжений формирователей, в 4М раз.

Время измерения 9 задается с помощью блока 9 управления, который в конце каждого цикла измерения обнуляет регистр 7 и счетчик 10, и измерительный цикл повторяется.

При измерении критических фазовых сдвигов, т.е. Фазовых сдвигов, близких в 0 или к 2 )Г, возможны случаи, когда после окончания формирования передних (задних) фронтов прямоугольного напряжения всеми формирователями 2, часть триггеров 4 окажется в единичном состоянии. В этом случае по сигналу с выхода элемент совпадения 8, который появляется с окончанием формирбвания передних (задних) фронтов прямоугольного напряжения всеми формирователями 2, блок 9 управления анализирует код на выходах комбинационного дешифратора 5. Если число триггеров 4, находящихся в единичном состоянии, меньше N/2, то блок 9 управления на своем третьем выходе вырабатывает сигнал, обнуляющий все триггеры 4, и считается, что измеряемый фазовый сдвиг к О, и числовое значение его зарегистрировано в регистре 7 и счетчике 10.

Если число триггеров 4, находящихся в единичном состоянии больше либо равно N/2, то блок управления 9 вырабатывает на своем втором выходе сигнал, устанавливающий все триггеры 4 в единичное состояние, и считается, что иэмеряемь1й фазовый сдвиг близок к 23, Обнуление триггеров 4 неквадратическую ошибку измерения фа50

Формула изобретения

Цифровой Фазометр, содержащий триггер,. генератор квантующих импульсов, элемент совпадения, счетчик с индикацией и формирователь в каждом из двух каналов, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью говышения точности, он снабжен N-1 триггерами, комбинационным дешифратором, сумматором, регистром памяти, блоком управления и в каждом иэ каналов N-1 формирователями, причем входы формирователей каждого иэ каналов объединены, первые входы каждого из формирователей второго канала соединены соответственно с первыми установочными входами каждого из N тригосуществляется фронтами следующего периода прямоугольного напряжения формирователей 2 измерительного канала. При этом, для надежного обнуления триггеров 4, с четвертого вы5 хода блока 9 управления на управляющие входы формирователей 1 подается сигнал, запрещающий проход импульсов генератора 3 квантующих импульсов на выход формирователей 2. После обнуления триггеров 4 результат измерения фиксируется в регистре 7 и счетчике 10, а сигнал, запрещающий работу формирователей 1, снимается и устройство готово к следующему измерению. Синхронизация рабо15 ты блока 9 управления, формирователей 1 и 2 опорного и измерительного каналов, регистра 7 памяти и счетчика 10 с индикацией осуществляется импульсами генератора 3.

Таким образом, применение предлагаемого устройства позволяет снизить ошибку измерения фазовых сдвигов вследствие Флюктуаций Фронтов прямоугольного напряжения формирователей, что достигается введением дополнительных формирователей и триггеров, комбинационного дешифратора, сумматора, регистра памяти и блока управления, осуществляющих многоканальное. независимое измерение фазового сдвига при усрецнении результата в одном счетчике.

При реализации предлагаемого уст1ройства в качестве усилителей-ограничителей формирователей использовались микросхемы серии 140 (140УД1).

Цифровая часть строилась на .микросхемах серии 133. Каждый канал со-. держит по 4 формирователя, т.е.N=4.

Фазовый сдвиг измерялся между дву40 мя гармоническими сигналами, частотой 5 кГц. Частота сигнала генератора кнантующих импульсов 10 МГц (Т = 0,1 мкс) . Эксперимент показал уменьшение среднеквадратической ошибки при многоканальном измерении по сравнению с одноканальным в 2 раза.

892343

Составитель М. Барашков

Техред А. Савка Корректор E- Рошко

Редактор Н. Пушненкова

Тираж 735 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Заказ 11244/67

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 геров,выходы каждого из N формирова телей первого канала соединены соответственно со вторыми установленными входами каждого из N триггеров, первой и второй выходы триггеров подсоединены к входам комбинационного дешифратора, выход которого соединен с кодовыми входами блока управления и с первыми входами сумматора, выходы которого соединены с входами регистра памяти, вход синхронизации которого соединен с входами синхронизации всех формиррвателей, .с входом синхронизации блока управления и с выходом генератора квантующих импульсов, а выходы соединены с вторыми входами сумматора и с кодовыми входами счетчи- 15 ка с индикацией, счетный вход которого соединен с выходом переноса сумматора, а вход сброса — с входом сброса регистра памяти и с первым выходом блока управления, второй и третий выходы которого соединены с соответствующими третьими.и четвертыми установочными входами всех триггеров, четвертый выход — с управляющими входами И формирователей первого канала, а управляющий вход— с выходом элемента совпадения, входы которого соединены соответственно с вторыми выходами формирователей второго канала.

Источники информации, принятые В0 внимание при экспертизе

1. Смирнов П.Т. Цифровые фазометры. Энергия, 1974, с.33.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 473120, кл. G 01 R 25/00, 1976.