Низкочастотный цифровой фазометр

Низкочастотный цифровой фазометр

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Использование: фазоизмерительная техника, измерение угла сдвига фаз между двумя гармоническими колебаниями в области низких частот. Сущность изобретения: устройство содержит: 2 формирующих устройства 1, 2, 1 управляющее устройство 3, 2 источника опорных напряжений 4, 5, 5 электронных ключей 6-10, 2 блока выборки-хранения 11, 12, 1 интегратор 13, 1 компаратор 14, 1 инвертирующий усилитель 15, 1 генератор счетных импульсов 16, 1 временной селектор 17, 1 реверсивный счетчик 18, 1 блок управления АЦП 19, Ц ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

".Ы l 784924 А1

РЕСПУБЛИК (si)s G 01 R 25/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4888Ч65/21 (22) 06.12.90 . (46) 30.12.92. Бюл„ 1 48 (72) В.М. Аванесов и В„В. Терешков (56) Кукуш В.Д.Электрорадиоизмере- ние. Учебное пособие для Вузов. М.:

Радио и связь, 1985, с.206-216.

Авторское свидетельство СССР

N 432419, кл. G 01 R 25/00, 1974, Авторское свидетельство СССР

М 1596269, кл. G 01 R 25/00, 1989. (54) НИЗКОЧАСТОТНЫЙ ЦИФРОВОЙ ФАЗОМЕТР (57) Использование: фазоизмерительИзобретение относится к фазоизмерительной технике и может быть использовано для измерения угла Фаз между двумя гармоническими колебаниями в области низких частот.

Известны различные цифровые Фазометры. Например, прямого преобразования мгновенного значения фазового сдвига и периодического сравнения для измерения среднего значения сдвига фаз.

Недостатком фазометров мгновенно-. го значения фазового сдвига является. необходимость знания или измерения частоты сигналов, а фазометров сред-, него значейия фазового сдвига при изменении на очень низких частотахнедопустимо большое время измерения.

Известен цифровой низкочастотный фазометр, содержащий управляемый де-, литель напряжения, представляющий

2 ная техника, измерейие угла сдвига

Фаз между двумя гармоническими колебаниями в области низких частот. Сущность изобретения: устройство содержит: 2 Формирующих устройства 1, 2, 1 управляющее устройство 3, 2 источника опорных напряжений 4, 5, 5 weктронных ключей 6-10, 2 блока выборки-хранения 11, 12, 1 интегратор 13, 1 компаратор 14, 1 инвертирующий усилитель 15, 1 генератор счетных импульсов 16, 1 временной селектор 17, 1 реверсивный счетчик 18,. 1 блок управления АЦП 19„ 4 ил, собой последовательное соединение вы- Я ходных цепей двух преобразователей

"код-сопротивление". При этг м выходное сопротивление одного из преобразователей пропоционально Фазовому сдви- 4.

ry q, а второго - пропорционально ОО величине 360 - гр. При выполнении это- 4Ъь

ro условия выходное напряжение дели- «О теля, на вход которого подается ста- . Я бильное постоянное напряжение, про- ф, порционально Фазовому сдвигу.

Недостатком этого устройства является наличие большого числа резисторов и реле - сложность конструкции преобразователя "код-сопротивление", а также зависимость показаний отсчетного устройства от постоянного напряжения П, нестабильность которого увеличивает погрешность измерения.

Наиболее близким к заявляемому является цифровой низкочастотный фа24

3 17849 зометр, импользующий метод нахождения поэтапным преобразованием at u

Т в постоянные напряжения с последующим нахождением их отношения путем двойного интегрирования.

Однако в таком фазометре при малых углах сдвига фаз возникают дополнительные погрешности, связанные с неидеальностью интегратора.

Целбю. изобретения является уменьшение,": погрешности от неидеальности . Ъ,. . интегратора при измерении малых углов фазового сдвига.

Поставленная цель достигается тем, 15 что в устройстве формируются временные интервалы с длительностями Т+ 4t и Т - dt, которые в последующем преобразуются в постоянные напряжения и затем обрабатываются в блоке деления (АЦП двойного интегрирова-. ния).

На фиг. 1 приведена структурная схема фазометра; на фиг. 2 - диаграммы напряжений, поясняющие принцип, 25 действия; на фиг.3, 4 - устройство блоков 3 и 19. фазометр содержит Формирующие устройства 1 и 2, управляющее устройство 3, источники 4 и 5 опорных ЗО напряжений, электронные ключи 6-10, . блоки 11 и 12 выборки-хранения, интегратор 13, компаратор 14, инвер- . тирующий усилитель 15, генератор 16 .счетных импульсов, временной селек- Э5 тор 17, реверсивный счетчик 18, блок

19 управления АЦП.

Входы Фазометра через последовательно соединенные Формирующие устройства 1 и 2 соединены соответствен- 4О но с первым и вторым входами управляющего устройства 3, выходы источников 4 и 5 соединены соответственно со входами электронных ключей 6 и 7, выходы которых соединены со входами 45 интегратора 13 и выходами ключей 810. Выход интегратора 13 соедийен. с точкой объединяющей входы компаратора 14 и блоков 11 и 12 выборкихранения, выход блока 11 выборкихранения соединен со входом инверти50 рующего усилителя 15, выход последнего и выход блока 12 выборки-хранения соединены соответственно со входами электронных ключей 9 и 10. Первый, второй, третий, четвертый, пятый, 5 шестой выходы управляющего устройства

3, соединены соответственно с управляющими входами электронных ключей

6-8, блоков 11 и 12 выборки-хранения и первым входом блока 19 управления АЦП. Второй и третий входы блока 19 управления АЦП соединены ° соответственно с выходом компаратора 14 и реверсивного счетчика 19, управляющий вход которого соединен с третьим выходом блока 19 управления, -четвертый выход которого соединен с управляющим входом временного селектора 17, причем вход последнего соединен с выходом генератора 16 импульсов, а выход - co входом счетчика 16.

Устройство работает следующим образом.

Формирующие устройства 1 и 2 вырабатывают короткие импульсы, соответствующие переходу сигналов через нуль из отрицательных значений в положительные (фиг.2), которые поступают в управляющее устройство 3 . Фазометр имеет четыре рабочих такта.

В течение первого такта, который начинается с приходом импульса с выхода формирующего устройства 1 на первый вход управляющего устройства

3, последнее на первом выходе вырабатывает импульс (фиг.2 U ), открывающий электронный ключ 6. При повторном поступлении импульса с выхода формирующего устройства 1 на выходе

4 управляющего устройства 3 вырабатывается короткий импульс (фиг.2 IJ<), осуществляющий запись напряжения U т в блок 11 выборки-хранения. Напряжение U к этрму моменту составит:

U= — — 1)Иdt= — х U ° т {1) 1

7 „ I о где U - напряжение интегратора к моменту времени Т;

- постоянная времени интегратора;

U — величина опорного напряжения источника 4;

Т - период исследуемого сигнала °

В момент времени t (Фиг.2 0", У,.)

° 1 ф ю первыи такт интегрирования заканчивается. В этот момейт времени управляющее устройство 3 вырабатывает сиг- нал, закрывающий ключ 6 (фиг.2 .U ) и открывающий ключ 7 (фиг.2 U ). .Начинается второй такт интегрирования.

На вход интегратора подается напряжение U с источника 5 с полярностью, противоположной U, . К этому моменту

5 1784924 времени t, (фиг,2), причем t< = Т+ 5t выходное напряжение интегратора сос- 1 тавит: 61 т

И = — -ИЛЕ.-Ut 5 .,ИЯТ< л 1 1 1 (2) U

= =„(r + at), rpe Б „1 — напряжение интегратора иНт1 после первого такта< д с — интервал времени, соот- "О г ветствующий фазовому сдвигу d g

При повторном поступлении на первый вход управляющего устройства 3 импульса с выхода формирующего устройства 1, устройство 3 на выходе 5 вырабатывает импульс, разрешающий запись напРЯжениЯ Бинт 2 в блок 12 выборки-хранения, которое (U<4HT2)ê 2р этому моменту составит (фиг.2 U6): р ZT т

1 ин22 2222 2 1 (2) 2

4, r

= 11инт q + U2 (2 Т вЂ” t„) 25 1 (U1 (т + д

I с учетом того, что

1 инт 2

2.dt (4) 1

= — —. (U . (Т + dt)-U . (2Т вЂ” c5 t )

С 1 2

По окончании записи управляющее устройство 3 вырабатывает импульс (фиг.2 U ), замыкающий ключ 8, производя тем самым сброс интегратора.

После того, как сброс интегратора произведен, управляющее устройство

3 на выходе 6 вырабатывает короткий импульс, обнуляющий показания счетчика 18 и производя запуск преобразований третьего и четвертого тактов,интегрирования.

В момент времени с„, когла счетчик

7 переполнится (фиг,2 U<4), третий акт закончится и интегратор 13 заядится до напряжения Пи„

1 4 инт3= < " ?1инт2 K dt

К (5) мнт2(4 3) у де U„ T — выходное напряжение ининт3 тегратора после третьего такта;

К - коэффициент передачи ин-вертирующего усилителя 15;i

- t3 — интервал времени, в течение которого осуществляется интегрирование

Uù„(фиг,2 U ).

Знак "-" под знаком интеграла авенства (5) показывает, что усилиель 18 инвертирует сигнал, 0 началом четвертого такта интерирования (замкнут электронный ключ

0) напряжение U с выхода блока 12 выборки-хранения. Конденсатор интегратора разряжается и в момент, когда выходное напряжение станет .равным нулю (U„„ + Бин 4 = 0), на 8bixoPB

g0 компаратора 14 вырабатывается импульс, поступающий на второй вход блока 19 управления (фиг.2 U4 ). Последним на выходе 4 вырабатывается им пульс, запрещающий прохождение счетных импульсов с генератора 16 через

Э5 селектор 17 на вход счетчика 18 (фиг. 2 U14 ) .

Таким образом:,1О 22<4Нт4 U HT 3 (6) 1 5

"т с?" = т ("К 4-) т

Зная, что временные интервалы и

45 заполняются счетными импульсами генератора 16 с частотой Е ..

В начале третьего такта блок ?9 управления открывает электронный ключ

9 (фиг.2 Б ), вырабатывает на выходе

3 сигнал, переводящий счетчик 18 в режим сложения и на вход интегратора

13 поступает напряжение с инвертирующего усилителя 15; В этот же момент времени открывается временной селектор 17 и на вход счетчика 18 разрешается прохождение счетных импульсов с генератора 16 (фиг.2 U ). о

t = — )

4 3 о

50 1 - и N

5 о (7) где N, N — число импульсов соответственно в третьем и четвертом тактах интегрирования.

Решая уравнение (5) относительно (t - — t ), получим

1784924 8

Нелинейность выходного напряжения, возникающая. в момент начала единичного воздействия на входе интегратора (фиг.2 - Uz начало первого и второго тактов) порождает высокочастотную погрешность интегрирования, возникающей, если время интегрирования 4t, соответствующее фазовому сдвигу dq, соизмеримо с постоянной вре-! р мени -= . (где g - постоянная времени

К усилителя интегратора, К вЂ” коэффициент усиления усилителя). Такой случай возможен при измерении малых значений Д у, В предлагаемом устройстве за счет интегрирования на интервалах от ОдоТ+ t и от Т + pt до

2Т такая нелинейность возникает дважды и носит противоположный знак, за счет чего к окончанию интегрирования второго такта, компенсируется.

Следует отметить, что погрешностью, возникающей в первом такте при преобразовании Т, в силу малости ее порядка можно пренебречь.

Таким образом, Формирование последовательностей импульсов с длительностями Т + 3t и Т вЂ” d t, которые в последующем преобразуются в постоянные напряжения и обрабатываются в блоке деления, позволяет обеспечить следующий положительный эффект, приводимый в сравнении с прототипом:

- исключается погрешность преобразования д у в напряжение, обусловлен25

40 (t — t) =-(t — t) — — — К

11 инт 2

4 3 (9) С учетом (1) и (4), (7), (8):

-К Я . — - — — = -N ° К 2Д((10)

2 ж х о Т о где д(- измеряемый Фазовый сдвиг.

Выбирая значение N кратным 18, можно получить отсчет непосредственно в градусах.

При измерении углов g, больших

180, в четвертом такте счетчик 18 импульсов переполняется и вырабатывает импульс, поступающий на третий вход блока 19 управления. Последний переводит счетчик 18 в режиме вычитания и в счетчике импульсов будет, Фиксироваться число N+ соответствующее фазовому сдвигу с учетом зна ка разности фаз. ная неидеальностью интегратора и конечным временем переключения ключа, - расширяются функциональные возможности фазометра — появляется возможность отсчета значения сдвига фаз с учетом знака, т.е. появляется возможность в определении сдвига фаз, а следовательно - измерение фазы в больших пределах.

На фиг. 3 и фиг.4 приведены примеры выполнения узлов 3 и 18 соответственно, Управляющее устройство (фиг.3) содержит: генератор 1 пусковых импульсон, IK-триггер 2, 0-триггер 3, дифференцирующие цепочки 4, б, 9, C-триггер 5, одновибратор 7, инвертор 8. Блок управления (фиг.4) содержит: RS-триггеры 1 и 2, C-триггер 3, элемент И 4, Формула изобретения

Низкочастотный цифровой фазометр, содержащий два формирователя, четыре электронных ключа, управляющее устройство, генератор импульсов, временной селектор, счетчик, первый источник опорного напряжения, интегратор, компаратор, два блока выборкихранения и инвертирующий усилитель, при этом входы формирователей являются входами фазометра, выход первого источника опорного напряжения подключен к входу первого электронного ключа, выход которого подключен к входам интегратора и третьего электронного ключа, к. выходам второго и четвертого электронных ключей, выход интегратора соединен с входами компаратора и блоков выборки-хранения, а также с выходом третьего электронного ключа, выход первого блока выборки-хранения через инвертирующий

45 усилитель подключен к входу второго электронного ключа, выход второго блока выборки-хранения подключен к входу четвертого электронного ключа,; первый, третий, четвертый и пятый

50 выходы управляющего устройства подключены соответственно к управляющим входам первого и третьего электрон-: ных ключей, первого и второго блоков выборки-хранения, генератор импуль55 сон через временной селектор подключен к входу счетчика импульсов, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью уменьшения погрешности при измерении малых углов сдвига фаз, в него

9 1784924

10 дополнительно введены блок управления, динены с шестым выходом управляющего второй источник опорного напряжения . устройства, выходом компаратора и и пятый электронный ключ, причем пер- выходом счетчика соответственно, вывый и второй выходы блока управления ход второго источника опорного насоединены соответственно с входами пряжения через пятый ключ соединен с

5 четвертого и второго электронных входом интегратора и входом третьего ключей, третий и четвертый выходы бло- электронного ключа, управляющий вход ка управления соединены соответствен- пятого электронного ключа соединен с но с управляющими входами счетчика и 1О вторым выходом управляющего устройствременного селектора,а первый, второй ва. . и третий входы блока управления сое1784924 айаг,4

Составитель В.Терешков

Редактор Н.Коляда Техред М.Моргентал Корректор С.Пекарь

Заказ 4362 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

:113035, Москва, Ж-Э5, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина, 101