Цифровой фазометр

Цифровой фазометр

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к области измерительной.техники. Цель изобретения - увеличение точности измерения Фазового сдвига входных сигналов. Цифровой фазометр состоит из формирователя 1, блока 2 управления, электронных ключей 3 и 4,,регистров 6 и 7 сдвига, блока 8 регистрации и генератора 9 импульсов. Введение реверсивного счетчика 5 импульсов и образова ние новых функциональных связей делает максимальную абсолютную погреш-v ность фазометра, не превышающей удвоенной абсолютной погрешности квантования временных интервалов. Таким образом, высокая точность измерения обеспеч}геается за счет устранения потери точности представления числовых эквивалентов мер фазового сдвига . 2 ил. с

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)4 G 01 R 25/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н Д ВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ зД

Llg Ug

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3920117/24-21 (22) 27.06.86 (46) 30.01.87. Бюл. N- 4 (72) С,B. Алексеев, С.Н. Луховской, В.И. Потапов и Д.Д. Юдин (53) 621.317.373(088.8) (56) Глинченко А.С. и др. Цифровые методы измерения сдвига фаз. Новосибирск, Наука, 1979, с.124.

Авторское свидетельство СССР

9- 1045155, кл. G 01 R 25/00, 1982. (54) ЦИФРОВОИ ФАЗОИЕТР (57) Изобретение относится к области измерительной. техники. Цель изобретения — увеличение точности измерения фазового сдвига входных сигналов.

„„SU„„128.7037 А 1

Цифровой фазометр состоит иэ формирователя 1, блока 2 управления, электронных ключей 3 и 4,, регистров 6 и 7 сдвига, блока 8 регистрации и генератора 9 импульсов. Введение реверсивного счетчика 5 импульсов и образование новых функциональных связей делает максимальную абсолютную погреш-, ность фазометра, не превышающей удвоенной абсолютной погрешности квантования временных интервалов. Таким образом, высокая точность измерения обеспечивается за счет устранения потери точности представления числовых эквивалентов мер фазового сдвига. 2 ил.

1287037

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к фазометрам, и может быть использовано для измерений фазовых сдвигов исследуемых сигналов. 5

Целью изобретения является увели" чение точности измерения фазового сдвига входных сигналов.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства на фиг.2 — то же, блока управления.

Цифровой фазометр состоит. иэ формирователя 1, блока 2 управления, первого и второго электронных ключей

3 и 4, реверсивного счетчика 5 импульсов, первого и второго регистров б и 7 сдвига, блока 8 регистрации и генератора 9 импульсов.

Выходы формирователя 1 соединены с первым и вторым входами блока 2 управления, первый и второй выходы

KoTopoI соединены соответственйо с первыми входами первого и второго электронных ключей 3 и 4, вторые вхо-. жы которых соединены с третьим входом блока 2 управления и выходом генератора 9 импульсов, а выходы первого и второго ключей 3 и 4 соединены соответственно с входами сложения и

I 30 вычитания реверсивного счетчика 5, вывыход которого соединен с четвертым входом блока 2 управления. Группа информационных входов реверсивного счетсчетчика 5 соединена с группой выходов регистра 7 сдвига, группа информационных входов которого соединена с группой информационных выходов реверсивного счетчика 5, а первый и второй управляющие входы соединены с

40 третьим и четвертым выходами блока 2 управления, пятый и шестой выходы которого соединены с первым и вторым управл.-ющими входами реверсивного счетчика 5, седьмой и восьмой выходы

45 блока 2 управления соединены с входами регистра б сдвига, группа выходов которого соединена с группой входов блока 8 регистрации, управляющий вход которого соединен с девятым выходом блока 2 управления, l

Устройство работает следующим образом.

FIa вход формироватепя 1 поступают синусоидальные сигналы U u U c

? частотой F, фазовый сдвиг (р„между которыми нужно измерить. Формирователь 1 преобразует входные синусоидальные сигналы в прямоугольные импульсы с длительностью,, пропорциональной измеряемому фазовому сдвигу между сигналами U и U< (беэ учета текущего значения периода 2Е? исследуемых сигналов), и прямоугольные импульсы с длительностью равной половине периода исследуемых сигналов. Эти импульсы поступают на блок 2 управления. Затем, в следующем через один период исследуемого сигнала, блок 2 управления формирует прямоугольный импульс с длительностью

2 Т?, которая равна периоду Т исследуемых сигналов. С помощью электронных ключей 3 и 4, и генератора 9 импульсон длительности импульсов с, и

2 7ь преобразуются в число-импульс? ные коды N, и N z соответственно, т ° e ° N< "" fкв . N<=2 I? fêe где

f — частота генератора 9 импульсов, (символы N u N применяются и для обозначения соответствующих им двоичных кодов) ° Сначала в число-импульсный код N, преобразуется длительность импульса 7, (фазовый интервал ь, ), значение которой соответствует измеряемому фазовому сдвигу С „ (без учета текущего значения частоты (периода) исследуемых сигналов). Этот числоимпульсный код через электронный ключ

3 поступает »а вход сложения реверсивного счетчика 5 импульсов. После окончания импульса с, записанный в реверсивном счетчике 5 импульсов дво-. ичный код NI переписывается в регистр 7 сдвига и сдвигается в нем на Один разряд влево (в сторону, старших разрядов). Это эквивалентно умножению значения кода N, на два.

Затем полУченный параллельный двоич- ный код 2N, переписывается из регистра 7 сдвига в реверсивный счетчик 5 импульсов, ПОсле этОгО на вхОд Вычитания реверсивного счетчика 5 импуль— сов через электронный ключ 4 начинает поступать число-импульсный код

N Z, соответствующий периоду исследуемого сигнала Т. Значение этого кода является текущим числовым эквивален— о том меры фазового сдвига ЗбО . Таким образом, в реверсивном с летчике импульсов 5 осуществляется одновременно запись число-импульсного кода периода и его вычитание из удвоенного значения двоичного кода фазового интервала, т.е. определяется и фиксируется код разности 2N,-N?. Сравнение удвоенного значения кода фазо2а, -N2 = 2 М; а;, а, -И /2 =»(, а; (2) При этом в каждом i ì цикле вычисле-. ния будет использовано одно и то же число N,,являющееся в каждом i-м цикле числовым эквивалентом меры фазового сдвига 360 /2 (удвоение в каждом

i-м цикле работы устройства результата разности (1) не приводит к увеличению числа двоичных разрядов фазометра более чем на один, так как разность (1) после умножения на 2 не может превышать значения 2 N -2).

Блок 2 управления содержит 5 RSтриггеров 10-14, 8 элементов И 15-22, 3 элемента HE 23-25, 2 элемента

ИЛИ 26 и 27, 11 формирователей 28-33, 2 D-триггера 39 и 40 и 2 пересчетных блока 41 и 42 °

Первый и второй входы блока 2 управления соединены с первыми входами е первого и второго элементов И 15 и 16, вторые входы которых соединены с выходом первого RS-триггера 10. Выход первого элемента И 15 соединен с одним входом третьего элемента И 17, выход которого через второй формирователь 29 соединен с S-входом третье- . го RS-триггера 12, а другой вход через второй RS-триггер 11 и первый формирователь 28 соединен с выходом второго элемента И 16. Второй вход блока 2 управления через первый элемент НЕ 23, четвертый элемент И 18 и третий формирователь 30 соединен

3 1?870 ного интервала 2N» с числовым зквина— лентом меры фазового сдвига 360 -N эквивалентно (с точки зрения знака разности) сравнению значения кода

N» с числовым эквивалентом меры фазового сдвига 180 (N< /2), т.е. величина 2М,-Nz=2 o»., а, эквивалентна

Ц I И величине N» — N /2 = о»., а, где»», = М.» — знаки разностей, а, — значение полученной разности. Таким образом, 10 в результате первого сравнения удвоенного значения кода измеренного фазового сдвига 2N» со значением кода

N определяется больше или меньше измеряемый фазовый сдвиг чем 15

180 эл.град, Знак разности фиксируется в разряде заема реверсивного счетчика 5 импульсов. Если величина 2N»вЂ”

N > 0 (y„>180 эл.град), то код этой разности переписывается из реверсив- 20 ного счетчика 5 импульсов в регистр

6 сдвига, а в первый (младший) разряд регистра сдвига 7 записывается единица.

Пусть разность 2N, -N < О, т. е. иэ- 25 меряемый фазовый сдвиг меньше

180 эл.град. При этом в первый разряд регистра 6 сдвига запишется нуль, а в регистре 7 сдвига останется прежнее значение двоичного кода 2И». После 30 сдвига на один разряд влево (в сторону старших разрядов) в регистре 7 сдвига будет зафиксирован двоичный код 2 (2 N,)=4 Н», Затем двоичный код

4 N» перепишется в реверсивный счетчик 5 импульсов. После этого на его вход вычитания начинает поступать очередноч число-импульсный код N сформированный в следующем через один, т.е. в пятом периоде с начала 40 измерения, Во втором цикле работы устройства в реверсивном счетчике 5 импульсов производится вычисление разности 4 N»-N = 4 <к, а . С точки зрения знака последняя разность эквивалент- 45 на разности N, — N /4 =» " а, где — В этом случае сравнение дво2 ичного кода 4 N с двоичным кодом N эквивалентно сравнению значения кода измеряемого фазового сдвига N, с чис- 50 ловым эквивалентом фазового сдвига

90 эл.град, (N /4). Пусть разность

4 N» — М О. Тогда в младший разряд регистра 6 сдвига запишется единица, а код разности 4 N, — Nz перепишется в регистр 7 сдвига. Затем производится сдвиг содержимого обоих регистров на один разряд влево. При этом в регистре 7 сдвига будет зафиксирован

37 4 двоичный код величины 2(4. N» — N<), а в регистре 6 сдвига двоичный код

000...010 (старшие разряды расположены слева). Затем двоичный код 2(4,N»вЂ”

N<) переписывается в реверсивнь»»» счетчик 5 импульсов и на его вход вычитания начинает поступать число-импульсный код N, сформированный в следующем через один период исследуе" мых сигналов. Таким образом, в каждом

i-м цикле работы устройства произво-. дится сравнение значения измеряемого фазового сдвига N, (или его остатков а;, от предыдущих сравнений) со значением числового эквивалента меры фазового сдвига 360 /2 (N /2 ), т.е. в i-м цикле работы устройства вычисляется разность которая с точки зрения знака разности эквивалентна разности

1287037

До начала измерения триггер 10 находится в состоянии логического нуля и входные сигналы Р,!и !,, поступающие с выходов формирователя 1, на работу устройства не влияют. Импульс начала измерения формируется с помощью триггера 14, элемента НЕ 23, элемента И 18 и формирователя 30 таким образом, что он по времени совпадает со спадом импульса с, (при отсутствии импульса, ). Импульс начала измерения устанавливает все триггеры блоР ка 2 управления в начальные состояния.

Так как цифровой эквивалент меры фазового сдвига 360, 180, 90 эл. град, и т.д. формируется в каждом цикле работы устройства от опорного сигнала с, то и работа блока

2 управления синхронизируется также от входного опорного сигнала а . Для обеспечения правильного функционирования устройства необходимо формировать цифровые эквиваленты двоичных мер фазового сдвига через период сигнала 2 . Это осуществляется с помощью триггера 39, работающего в счетном режиме. Триггер 13 предназначен для формирования одного строба (в процессе одного измерения) длительностью !., на управляющем входе электронного ключа 3. После формирования этого строба могут формироваться только стробы длительностью

2 !- (2 7 =Т) на управляющем входе электронного ключа 4.

По спаду строба 2 !. в каждом i-м цикле работы устройства (=1,2...,п где и — число разрядов фазометра) с помощьв.формирователей 31-35 формируются импульсные управляющие сигналы. с R-входом первого D-триггера 39, S-вход которого соединен с клеммой положительного напряжения, I) -вход- . с инверсным выходом, С-вход — с выходом третьего элемента И 17, а пря- 5 мой выход через пятый элемент И 19 соединен с входами седьмого элемента

И 21 и четвертого формирователя 31, выход которого соединен с R-входом четвертого RS-триггера 13, инверсный выход которого соединен с вторым входом седьмого элемента И 21, прямой . . выход — с одним из входов шестого элемента И 20, а S-вход — с S-входом первого RS-триггера 10, R-входом второго RS-триггера 11, выходом третьего формирователя 30, входом одиннадцатого формирователя 38, одним из входов первого элемента ИЛИ 26 и вхо— дом второго элемента HE 24, Первый вход блока 2 управления соединен с вторым входом четвертого элемента

И 18, третий вход которого соединен с прямым выходом пятого RS †триггера 14, инверсный вход которого соединен с вторым входом пятого элемента И19, R-вход соединен с выходом одиннадцатого формирователя 38, а

S-вход через десятый формирователь

37 соединен с входом второго пере-: счетного блока 42, R-вход второго > триггера 40 соединен с клеммой положительного напряжения, D -вход с общей шиной, S-вход с выходом первого элемента ИЛИ 26, второй вход которо- 35 го через последоватепьно соединенные седьмой, шестой и пятый формирователи

34,33 и 32 соединен с выходом четвертого формирователя 31 и первым входом восьмого элемента И 22, второй вход 40 которого соединен с выходом второго

0-триггера 40, а выход — с входом второго элемента ИЛИ 27, второй вход которого соединен с выходом седьмого формирователя 34, входом восьмого формирователя 35 и через последовательно соединенные первый пересчетный блок 11 и девятый формирователь 36 с входом третьего элемента НЕ 25, вторым входом второго пересчетного блока 0

42 и R-входом первого RS-триггера 10, R-вход третьего RS-триггера 12 соединен с выходом пятого .формиронате— ля 32.

Блок управления обеспечивает синхронную работу всех функциональных элементов устройства и работает следующим образом.

Триггер 40 служит для разрешения или запрещения перезаписи разности, формируемой в каждом i-м цикле работы устройства в реверсивном счетчике

5 импульсов, в регистр 7 сдвига, Сигнал знака этой разности поступает на вход С-триггера 40, Если импульс знака разности не поступает на вход

С-триггера 40 с разряда заема ревер-. сивного 5 счетчика импульсов, то разность положительна и перезапись ее в регистр 6 сдвига нужна. В этом случае сигнал перезаписи через эле" ! мент ИЛИ 27 поступит в регистр 7 . сдвига, Если разность отрицательна, то импульс заема с реверсивного счет12 чика 5 импульсов поступит на вход

С-триггера 40 и сигнал перезаписи разности в регистр 7 сдвига не пройдет через элемент 22 И, а в регистре

7 сдвига останется предыдущее значение кода.

Пересчетный блок 41 служит для определения нужного числа циклов и работы устройства. После подсчета и импульсов пересчетный блок 41 форми1 рует сигнал конца измерения, с помощью которого результат измерения, находящийся в регистре 6 сдвига, поступит на блок 8 регистрации.

Пересчетный блок 42 служит для задания необходимого времени на отображение результата измерения в блоке 8 регистрации. Это время задается путем подсчета определенного числа импульсов генератора 9 импульсов.

По окончании времени регистрации пересчетный блок 42 устанавливает триггер 14 в состояние логической единицы и в момент спада импульса вновь формируется импульс начала измерения, и устройство производит очередное измерение. Пересчетный блок 42 устанавливает триггер 14 в состояние логической единицы сразу после подачи напряжения питания на фазометр.

Пересчетные блоки 41 и 42 реализованы с помощью счетчиков импульсов и дешифраторов. Формирователь 1 может быть. реализован с помощью усилителей-ограничителей и фазового детек. тора.

Определим максимальную абсолютную погрешность Ь „предлагаемого устройства. Эта погрешность определяется погрешностью квантования фазового интервала С, — g,, в результате квантования которого формируется двоичный код N, погрешностью квантования временного интервала 2 -, в результате квантования которого формируется двоичный код N, а также реализованным в устройстве способом обработки двоичных кодов N и N для получения кода измеренного фазового сдвига N>.

Погрешности квантования h u являются случайными величинами, которые могут принимать значения: 0 6 6, а 1Ä 0 - Üz е 1, т.е. эти погрешности не превышают единицы младшего.разряда двоичных кодов И, и Яz . Оцределим погрешность д обработки кодов

N< и Nz с учетом погрешностей их

87037 8. квантования К, и А . Первая разность 2(N, +д1)-(N.+ лг ) = Ы,а,+2Ь, +А (при вычислении которой производится сравнение удвоенного значения кода фазового интервала N с числовым эквивалентом N меры фазового сдвига

180 эл.град.) определяется с погрешностью b, =«+2b, + и . С учетом веса кода N (в град.) в первом цикле эта . погрешность равна г Ь, "180 b, 360

И 2Nz

Вторая разность с учетом погрешности первой разности

2 (а, +Ь ) (Nz+ bг) =g<аг+2Ь(+ hг

20 (при вычислении второй производится сравнение удвоенного кода 2N фазового интервала или его остатка а от предыдущего сравнения с числовым эк25 вивалентом N меры фазового сдвига

90 эл.град.) определяется с погрешностью b =+2Ь, +g = +4L,+ 3h . С учетом веса кода N (в эл.град.) во второй разности эта погрешность равна

Ь 360

Х

2гд

Ь 90 а г

2(а„, +Ь„, )-(Nz- ь,) с(„а„+Ь„, + Ьг (при вычислении которой производится

55 сРавнение удвоенного значения кода у 1 . фазового интервала 2 ° N < или его остатка от предыдущего сравнения а с числовым эквивалентом меры фазового сдвига 360 !2 ) определяется с поо и

Аналогично i-я разность с учетом по35 грешности (i-1)-й разности 2(а;, +

+Ь;, )-(Nz-6 ) =g;a; +2Ь;, + b,< (при вычислении которой производится сравнение удвоенного значения кода фазового интервала 2 N, или его остатков

40 от предыдущего сравнения а;, с числовым эквивалентом N меры фазового сдвига 360 /2 ) определяется с погрешностью Ь.=+2Ь;, +Ь =+2 ь,+(2 -1)Ь»., 1

С учетом веса кода Nz (в эл.град.) т

45 в д-м цикле эта погрешность равна

b; 360

Последняя и-я разность

2 с учетом погрешности (п-1)-.й разнос50 ти

37 0 лентов мер фазового сдвига H имеет меньший объем аппаратуры.

Формула и з о б р е т е н и я

Цифровой газометр, содержащий блок регистрации, генератор импульсов, два регистра сдвига, два электронных ключа, блок управления и формирователь, первый и второй входы которого соединены соответственно с первой и второй входными шинами фазометра, а первый и второй выходы формирователя соединены соответственно с первым и вторым входами блока управления, первый и второй выходы которого соединены с первыми входами соответственно первого и второго электронных ключей, вторые входы которых соединены с входом генератора импуль— сов, а группа выходов первого регистра сдвига соединена с группой входов блока регистрации, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью увеличения точности измерений, в него введен реверсивный счетчик импульсов, группа выходов которого соединена с группой входов второго регистра сдвига, управляющие входы которого соединены с третьим и четвертым выходами блока управления, а группа выходов — с группой информационных входов реверсивного счетчика, вход сложения которого соединен с выходом первого электронного ключа, вход вычитания — с выходом второго электрон9

12870

Ь 360 н 2п

6„, „ и 2 360 /N, (3)

Величина 360 /N = 6, является абсолютной погрешностью квантования временных интервалов (выраженной в эл.град.)

Максимальная абсолютная погрешность фазометра не превышает удвоенной 35 абсолютной погрешности квантования временных интервалов, т.е. точность прибора полностью определяется только погрешностью квантования времен— ных интервалов с, и ь

Таким образом, устройство обеспечивает более высокую точность измерения за счет устранения потери точности представления числовых эквивагрешностью b„=+2h „, + =+2 "л, + (2"-1 Ъ, Погрешность Ь„с учетом веса кода И (в эл. град.) в п-й разности равна

Погрешность 5д и есть погрешность обработки двоичных кодов N и N с

1 учетом их погрешностей квантования, т.е. 8„= и . Выразим погрешность д через погрешности квантования кодов

N< ни

b„..360 360 ° Л (2 -1) 360 Р15

В самом неблагоприятном случае, когда погрешность 6 и д имеют разные зна4 1 ки и максимальны по абсолютному значению (/ 6 / = / Q / = 1 ) погрешност будет максимальной о $, (2 — 1) од

b,-=Ü =+ 360 (— + — -- — -- ).

ma м 2п

Величина 2 -1/2 =1. Тогда с достаточноч для практического использования точностью можно записать ного ключа, а управляющие входы — с пятым и шестым выходами блока управления, третий вход которого соединен с выходом генератора импульсов, а четвертый — с выходом реверсивного счетчика, -при этом седьмой и восьмой выходы блока управления соединены с входами первого регистра сдвига, а девятый выход — с входом блока ре-. гистрации, 128703?

Составитель М. Катанова

Редактор А. Гулько Техред М.Ходанич Корректор С. Шекмар

Заказ 7711/46 Тираж 730 . Подписное . ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб, д.4/5, Производственно-полиграфическое преДприятие, r. Ужгород, ул. Проектная,4