Устройство для измерения угла сдвига фазы синусоидальных напряжений

Устройство для измерения угла сдвига фазы синусоидальных напряжений

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

УСТРОЙСТЁО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛА СДВИГА ФАЗ СИНУСОИДАЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ, содержащее задатчик измерительного времени, одним входом соединенный с шиной опорного . напряжения, а вторым - с внешним командным сигналом, интегратор, соединенный с управляющим выходом задатчика измерительного времени, . о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения быстродействия устройства и трчности измерения : угла сдвига фазы синусоидальных ,на-г . Пряжений, в него дополнительно введены вычитатёль двух напряжений,. аналого-цифровой преобразователь, .вычислительный блок, два двухполупериодных выпрямителя, два интегр.атора и, ключевые элементы,.причем первый вход вычитателя Двух напряжений и вход первого двухполупери одного выпрямителя соединены .с шиной опорного напряжения, второй вход вычитателя двух напряжений и вход второго двухполупериодного выпрямителя соединены с шиной исследуемого напряжения, а выход вы JИтaтeля двух напряжений соединен с входом первого интегратора через первый ключевой элемент, при этом выход первого двухполупериодного выпрямителя соединен с входом первого дополнительного интегратора через второй ключевой элемент, а выход второго двухполупер1юдного выпрямителя - с входом второго дополнительного интегратора через третий ключевой элемент, выход первого интегратора соединен с первым аналоговым входам аналого-цифрового преоб (О разователя через четвертый ключевой элемент, выход первого дополнительного интегратора соединен с вторым аналоговым входом аналого-цифрового преобразователя через пятый ключевой элемент, выход Звторого дополнительного , -интегратора соединен с первым аналоговым, входом аналого-цифрового преобразователя.через шестой ключе05 вой .элемент, информационный выход 4 ГчЭ ISD аналозго-цифрового преобразователя соединен с информационным входом вычислительного блока, а управляйщий вход аналого-цифрового преобразователя и управляющие входы ключеЧ вых элементов соединены с выходами задатчика измерительного времени.

„.Я0„„1064227

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

М50 G 01 8 .25 00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ "

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (1 (21) 3463344/18-21 (22) 05.07.82 (46) 30.12.83. Бюл. 9. 48 (72) В. В.Гетьман, Л.A.Æóê, A.Ã,0ëåéíèêîâ и Н.Е.Синицкий (71) Опытное конструкторско-технологическое бюро с опытным производством института металлофизики AH УССР (53) . 621, 317. 77(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

Р 412563, кл. G 01 R 25/00, 1975

2. Авторское свидетельство СССР

М 187148, кл. G 01 R 25/00,: 1956 ° (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

УГЛА СДВИГА ФАЗ СИНУСОИДАЛЬНЫХ

НАПРЯХ(ЕНИЙ, содержащее задатчик измерительного времени одним входом соединенный с шиной опорного напряжения, а вторым — с внешним командным сигналом, интегратор, соединенный с управляющим выходом задатчика измерительного временй, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что„ с целью повышения быстродействия . устройства и точности измерения угла сдвига фазы синусоидальных на-, пряжений, в него дополнительно введены вычитатель двух напряжений, аналого-цифровой преобразователь, вычислительный блок, два двухполу.периодных выпрямителя, два интегратора и. ключевые элементы,.причем первый вход вычитателя двух напряжений и вход первого двухполупериодного выпрямителя соединены;с шиной опорного напряжения, второй вход вычитателя двух напряжений и вход второго двухполупериодного выпрямителя соединены С шиной исследуемого напряжения, а выход вычитателя двух напряжений соединен с входом первого интегратора через первый.ключевой элемент, при этом выход первого двухполупериодного выпрямителя соединен с входом первого дополнительного интегратора через второй ключевой элемент, а выход второго двухполупериодного выпрямителя — с входом второго дополнительного интегратора через третий ключевой элемент, выход первого интегратора соединен с первым аналого- ® вым входом аналого-цифрового преобразователя через четвертый ключевой элемент, выход первого дополнительного интегратора соединен с вторым С аналоговым входом аналого-цифрового преобразователя через пятый ключевой Я элемент, выход второго дополнительйого, интегратора соединен с первым аналоговым. входом аналого-цифрового преобразователя через шестой ключевой .элемент, информационный выход аналого-цифрового преобразователя соединен с информационным входом вычислительного блока, а управляющий вход аналого-цифрового преобразователя и управляющие входы ключевых элементов соединены с выходами задатчика измерительного времени, 1064227

Uan = Uac

1/ЯС = Eas ()) (2) Изобретение относится к злектроизмерительной технике и может быть использовано при построении цифровых фаэометров.

Известно цифровое устройство для измерения угла сдвига фаз между опорными и исследуемым сигналами, со.держащее полосовой фильтр, аналогоцифровой преобразователь, множительное устройство, накапливающий сумматор, генераторы дискретных аргументов и амплитуд, устройство определения отношения, тригонометрические преобразователи и линии задержки (1 ).

Недостаток указанного устройства заключается в сложности конструкции из-за наличия в его структуре узлов различного функционального назначения, Для измерения устройством фазы исследуемого сигнала по отношению к опорному необходимы априорные значения о законах амплитудной и фазовой модуляций исследуемого сигнала и его частоте., Отклонение закона амплитудной или фазовой модуляции исследуемого сигнала от ожидаемой и изменение частоты исследуемого сигнала снижают точность измерения угла сдвига фазы между двумя сигналами.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является суммо-разностный фаэометр инфраниэкой частоты, содержащий эадатчик измерительного времени, два реостатных аттенюатора, отсекатель положительной полуволны суммарного" напряжения, интегратор, регистрирующий прибор, Входами устройства являются шины опорного и исследуемого напряжений, которые через реостатные аттенюаторы соединены с входами сумматора двух напряжений, Шина опорного напряжения подключена к входу задатчика измерительного времени. Выход сумматора двух периодических напряжений через отсекатель положитель ной полуволны суммарного, напряжения соединен с интегратором, а выход интегратора — c входом регистрирующего прибора. Управляющий вход задатчика измерительного времени соединен с внешним командным сигналом, источником которого в устройстве является кнопка. Управляющий выход эадатчика измерительного времени, обуславливаю щий длительность интегрирования суммарного напряжения, соединен с интег ратором f2>, Анализ известного устройства показывает, что измерение фазы между опорным Uan и исследуемым Uäa напряI жениями возможно при выполнейии условий: где 2/RC - постоянная интегратора известного устройства.

Для выполнения условия (1 ) необходимо с п омощью дополнит ел ь ных средств (например, с помощью ампли5 тудного вольтметра ) произвести измерение амплитуды исследуемого сигнала, а далее с помощью аттенюаторов опорного и исследуемого напряже ний обеспечить равенство их амплитуд. Разделение по времени процедур измерения исследуемого сигнала, согласования с амплитудой опорного . сигнала и собственного измерения фазы между двумя сигналами обусловливает низкое быстродействие известного устройства, Невыполнение условий (1 ) и (2) снижает точность измерения фазы между двумя сигналами. Дополнительным фактором, снижающим точность измерения фазы между двумя сигналами, является погрешность, обусловленная действием смещения нулевых линий периодических сигналов и действием синфаэной помехи на входы сумматора известного устройства. Например, при смещении нулевых линий периодических сигналов, вектор напряжения на выходе сумматора будет равен (3) 2 (U о + UaÄ )cos Ч /2, 30

Ua — напряжение смещения нулевых линий периодических сигналов, Наличие составляющей 20О в суммарном напряжении 0 повлечет за

35 собой погрешность вычисления фазы Ч

Цель изобретения — повышение быстродействия устройства и точности измерения угла сдвига фазы синусоидальных напряжений.

40 Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения угла сдвига фазы синусоидальных напряжений, содержащее задатчик измерительного времени, одним входом со45 единенный с шиной опорного напряжения, а вторым — с внешним командным сигналом, интегратор, соединенный с управляющим выходом задатчика измерительного времени, введены вычитатель двух напряжений, аналого-цифровой преобразователь, вычислительный блок, два двухполупериодных выпрямителя, два интегратора и ключевые элементы, причем первый вход вычителя двух напряжений и вход первого двухполупериодного выпрямителя соединены с шиной опорного напряжения, второй вход вычитателя двух напряжений и вход второго двухполупериодного выпрямителя соединены с-шиной ис60 следуемого напряжения, а выход вычитателя двух напряжений соединен с входом первого интегратора через первый ключевой элемент, при этом выход первого двухполупериодного выпрямителя соединен с входом первого до1064227

20 устройства. вычитания обеспечивает ему подавание синфазной помехи при уровнях помехи, 3начительно превышающей полезный сигнал.

Интеграторы 3,9 и 13 реализованы по традиционной схеме на операционных усилителях с RC -цепями. Номиналы сопротивлений р и емкостей С в цепях обратных связей операционных усилителей идентичны (обеспечивается их относительное равенство ).

35 реализация двухполупериодных вы1 прямителей основана на известных схемотехнических решениях.

АЦП 4 в предлагаемом устройстве производит преобразование аналоговых

40 напряжений в цифровые эквиваленты по методу последовательного приближения (поразрядного кодирования). Аппаратурная реализация АЦП основана на известных решениях.

45 В качестве блока 5 использована одноплатная микро-3ВМ "Электроника

К1-20" К580 имеющая в своем составе процессорное устройство, постоянное запоми нающее устройство (ПЗУ), порт вводавывода. В ячейках ПЗУ защита программа алгоритмического вычисления процессорным устройством угла Ч из

65 полнительного интегратора через второй ключевой элемент, а выход второго двухполупериодного выпрямителя -, с входом второго дОполнительного интегратора через третий ключевой элемент, выход первого интегратора соединен с первым аналоговым входом аналого-цифрового преобразователя через четвертый ключевой элемент, выход первого дополнительного интегратора соединен с вторым аналоговым входом аналого-цифрового преобразователя через пятый ключевой элемент, выход второго дополнительного интегратора соединен с первым аналоговым входом аналого-цифрового преобразователя через шестой ключевой элемент, информационный выход аналогоцифрового преобразователя соединен с информационным входом вычислительного блока, а управляющий вход аналого-цифрового преобразователя и управляющие входы ключевых элементов соединены с выходами задатчика из- мерительного времени, На чертеже изображена Структурная схема предлагаемого устройства.

Устройство для измерения угла сдвига фавы синусоидальных напряжений содержит задатчик 1 измерительного времени, вычитатель 2 двух напряжений, интегратор 3, аналого-цифровой преобразователь (АЦП !4, вычислительный блок 5, ключевые элементы б и 7, двухполупериодный выпрямитель 8 и первый дополнительный интегратор 9, ключевые элементы 10 и 11, двухполупериодный выпрямитель

12, второй дополнительный интегратор

13 и ключевые элементы 14 л 15, Входами устройства являются шины опорного и исследуемого напряжений, Шина опорного напряжения соединена с задатчиком 1, с первым входом вычитателя 2 двух напряжений и с входом двухполупериодного выпрямителя

8, а шина исследуемого напряжения с вторым входом вычитателя 2 двух напряжений и с входом двухполуиериодного выпрямителя 12. Выход вычитателя 2 двух напряжений.через клю чевой элемент б подключен к входу

-интегратора 3, Выход двухполупериодного выпрямителя 8 через ключевой элемент 10 соединен с входом интегратора 9. Выход двухполупериодного выпрямителя 12 через ключевой элемент 14 подключен к входу интегратора 13. Выходы интеграторов 3 и 13 через ключевые элементы 7 и 15 соединены с первым, входом АЦП 4, являющимся входом измеряемого напряжения. Выход интегратора 9 через ключевой элемент 11 соединен с вторым входом АЦП 4, являющимся входом эталонного напряжения. Цифровой вы. ход АЦП 4 подключен к входу блока 5.

Управляющий вход задатчика 1 соединен с блоком 5, который является также источником командного сигнала.

Управляющие входы ключевых элементов

6,7,10,11 14,15 и АЦП 4 подключены к управляющим выходам задатчика 1.

Задатчик 1 по моментам перехода опорного напряжения через нулевой уровень формирует последовательность управляющих работой ключевых элементов 6,7,10,11,14 и 15 и запуском

АЦП 4 сигналов в соответствии с алгоритмом функционирования предлагаемого устройства.

Время замкнутого состояния ключевых элементов 6,10 и 14 определяется полупериодом переменного. напряжения, а время замкнутого состояния ключевых элементов 7,11 и 15 — временем аналого-цифрового преобразования сигналов АЦП 4.

Вычитатель 2 двух напряжений реализован по схеме усилителя с дифференциальными симметричными (незаземленными ) входами на трех операционных усилителях. Такое построение, обратной тригонометрической функции огссоз . С помощью порта ввода-вывода обеспечивается передача информации блока 5. с AIIII 4 и задатчика 1.

Устройство для измерения угла сдвига фазы синусоидальных напряжений работает следующим образом.

В исходном состоянии все ключевые элементы разомкнуты. Начало измерения угла. сдвига фазы задается задатчику 1 командным импульсом с блока

5, Задатчик 1 в момент перехода опорного напряжения через нулевой

1064227 уровень переводит ключевые элементы

6,10 и 14 в замкнутое состояние на время равное периоду переменного напряжения. Напряжения с выхода вы- читателя 2 и с выходов выпрямителей

8 и 12 поступают соответственно на 5 интеграторы 3,9 и 13 и интегрируются ,в течение времени, определяемого замкнутым состоянием ключевых элементов 6,10 и 14. По истечении времени равного полупериоду переменного напряжения задатчик 1 переводит ключевые элементы 6,10 и 14 в разомкнутое состояние. По окончании времени интегрирования напряжения на выходах интеграторов 9,13 и 3 соответственно )5 равны:

„ /w+ Т!2 Ч) /up+I/2

J>z (n(wt-P„))dt=,о

Ч„/w /q/w (4) 2 m on .

tw p

Ч„w+T/2 Ч,)/и)+Т/2

)u„,(tl)at= J (u „,в п(м-ю;ч)(ве=

Ч„/м Ч (ш

2U 30

muc (5)

LAN P

Ч) (и + Т/2 (О (Ф -Оц (1})Н- Π— О . сов1)

I е где U „ и 0 — амплитудные значения соответственно 40

m uc опорного Uon (t) и исслелуемого UÄc(kl напряжений; и — частота;

Т вЂ” период переменных напря- 45 жений; / — измеряемый угол сдвига фа зы между двумя н апр яжениями начальная фаза переменно1 50 го напряжения;

Р— постоянный коэффициент интегрирования (у интеграторов коэффициенты равны)..

Далее задатчик 1 переводит в замкнутое состояние ключевые элементы

11 и 15, тем самым подключая выходы интеграторов 9 и 13 к аналоговым входам AUII 4. По сигналу с задатчика

1,происходит первый запуск АЦП 4, и в результате преобразования на выхо- 60 де АЦП 4 будет сформирован двоичный цифровой код .

Оп ис

О оп 65

1 где и -,число двоичных разрядов

АЦП 4)

S - постоянный коэффициент, эавип ) сящий от типа АЦП 4;

N -максимальный цифровой экви)и валент аналого-цифрового преобразования измеряемого напряжения в единицах эталонного напряжения.

КОд й1 засылается в память блока

5, Далее задатчик 1 переводит ключевой элемент 15 в разомкнутое состояние, а ключевой элемент 7 — в замкнутое, По сигналу с задатчика 1 происходит второй запуск АЦП 4, и в результате преобразования на выходе АЦП 4 будет сформирован двоичный цифровой код т оп шис (() on (m uc ) (2 ") сОэЧ= М х

2 и ") ()я ис (2"- )) Оп1 ис

mon m on хМ созе . .(s)

Код й2 пересылается в блок 5, а эадатчйк 1 переводит ключевые элементы 7 и 11 в разомкнутое состояние °

С учетом выражений (7) и (8 1 блок 5 производит вычисление искомого угла )" иэ выражения

Na

V = all Co& — —

N1

На этом процесс измерения угла сдвига фаэ двух напряжений заканчивают.

Благодаря введению в устройство для измерения угла сдвига фазы двух напряжений вычитателя двух напряжений, результат измерения угла сдвига.фазы двух напряжений не зависит от наличия постоянной составляющей смещения нулевого уровня опорного и. исследуемого напряжений и от воздействия синфазной помехи на вход устройства, что обеспечивает предлагаемому устройству большую точность по сравнению с прототипом.

Введение в структуру предлагаемого устройства двухполупериодных выпрямителей, дополнительных интеграторов и АЦП позволяет производить измерения угла сдвига фазы двух напряжений независимо от соотношения амплитуд опорного и исследуемого напряжений и независимо от частоты периодических сигналов, что обеспечивает предлагаемому устройству большую точность по сравнению с прототипом при вариации соотношения амплитуд напряжений и частоты переменного напряжения и более высокое быстродействие, так как отпадает необходимость в проведении дополнительных процедур измерения амплитуды исследуемого напряжения и частоты периоди- ческих сигналов, 1064227

Составитель A.,Старостина

Редактор A. Лежнина Техред И.Метелева Корректор Г, Решетник

Закаэ 10526/47 Тираж 710 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам иэобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4