Pierwszenstwo: Opublikowano: 30.Y.1970 59929 KI. 21 e, 25/04 MKP GOlr QJb\OU Wspóltwórcy wynalazku: mgr inz. Jerzy Kostro, dr inz. Wojciech Lag- winski Wlasciciel patentu: Politechnika Warszawska (Katedra Automatyki i Te¬ lemechaniki), Warszawa (Polska) Urzadzenie cyfrowe do pomiaru przesuniecia fazowego Przedmiotem wynalazku jest urzadzenie cyfrowe do pomiaru przesuniecia fazowego pozwalajace wy¬ razic zmiany przesuniecia fazowego w postaci dy¬ skretnej jako odpowiednia ilosc impulsów elek¬ trycznych proporcjonalna do wielkosci zmiany mierzonego przesuniecia fazowego a takze poprzez zliczanie tych impulsów wyrazic przesuniecie fa¬ zowe jako odpowiadajacy mu stan licznika impul¬ sów. Urzadzenie jest przeznaczone zwlaszcza do zastosowania w tych sposród elektrycznych ukla¬ dów pomiarowych wielkosci mechanicznych, w których wynik pomiaru otrzymuje sie w postaci przesuniecia fazowego .pomiedzy dwoma sygnalami elektrycznymi i z róznych wzgledów wynik ten musi miec postac dyskretna.W znanych i stosowanych dotychczas rozwiaza¬ niach konstrukcyjnych dyskretny pomiar % przesu¬ niecia fazowego pomiedzy dwoma sygnalami elek¬ trycznymi sprowadza sie do pomiaru czasu jaki uplywa pomiedzy chwilami, w których oba te przebiegi przybieraja wartosc chwilowa równa ze¬ ru, czyli pomiedzy tzw. przejsciami przez zero.Glówna wada tej metody jest zaleznosc wyniku pomiaru od czestotliwosci sygnalów, których prze¬ suniecia fazowe sa mierzone, a takze i to, ze otrzy¬ mana w wyniku pomiaru ilosc impulsów odpowia¬ da kazdorazowo chwilowej wartosci mierzonego przesuniecia fazowego wobec czego stale przesunie¬ cie fazowe jest sygnalizowane jako ciag grup im- 15 20 25 30 pulsów o stalej liczbie impulsów w grupie i stalej repetycji grup.Ten ostatni fakt 'Uniemozliwia wykorzystanie te¬ go rodzaju ukladów, bez zastosowania ukladów po¬ mocniczych zawierajacych pamiec, gdy przesunie¬ cie fazowe ma byc wyrazane w postaci sumy ko¬ lejno zliczanych przyrostów. W licznych ukladach pomiarowych przesuniec mechanicznych wahania czestotliwosci sygnalów wyjsciowych towarzysza nieodlacznie procesowi pomiaru i wówczas uklady pomiarowe znane dotychczas nie moga byc zasto¬ sowane.Celem wynalazku jest zbudowanie urzadzenia do pomiaru przesuniecia fazy pozwalajacego mierzyc w sposób cyfrowy równiez zmiany tego przesunie¬ cia, malo wrazliwego na wahania czestotliwosci sygnalów wejsciowych.Istota wynalazku polega na zbudowaniu cyfro¬ wego urzadzenia do pomiaru przesuniecia fazy miedzy dwoma przebiegami w postaci zamknietego ukladu regulacji, w którym obiektem regulowa¬ nym jest pracujacy na zasadzie zliczania impulsów przesuwnik fazowy dzialajacy zarazem jako uklad pamietajacy aktualnie przezen wprowadzane prze¬ suniecie fazy, a czlonem porównujacym jest uklad porównywania fazy. Faza sygnalu otrzymywanego na wyjsciu przesuwnika fazy imoze byc zmieniana przez wprowadzanie do niego impulsów.Jest ona porównywana w ukladzie porównywa¬ nia fazy z faza sygnalu wejsciowego, którego faze 5992959929 3 w stosunku do sygnalu odniesienia chcemy zmie¬ rzyc. Jezeli uklad porównywania fazy wykaze ist¬ nienie róznicy faz wówczas sa wytwarzane impul¬ sy zmieniajace przesuniecie fazy przesuwnika tak, aby ta róznica byla równa zeru.Przez zliczanie impulsów korygujacych przesu¬ niecie fazy wprowadzane przez przesuwnik otrzy¬ mujemy sume zmian fazy sygnalu odniesienia od chwili rozpoczecia pomiaru, jest to jednoczesnie wartosc przesuniecia fazy miedzy sygnalem wej¬ sciowym a sygnalem odniesienia jezeli na poczatku pomiaru faza sygnalu na wyjsciu przesuwnika fa¬ zy byla zgodna z faza sygnalu odniesienia.Impulsy korygujace przesuniecie fazy przesuw¬ nika wytwarzane sa przez generator o czestotliwo¬ sci przestrajariej sygnalem z ukladem porównywa¬ nia fazy dzieki czemu mozna uzyskac duza szyb¬ kosc pracy przy zachowaniu warunku stabilnosci ukladu. Moga byc równiez wykorzystane impulsy z ukladu powielania czestotliwosci sygnalu zegaro¬ wego, pozwala to stasowac prosty iloczyn jako uklad porównywania fazy, trzeba jednak wówczas opózniac sygnal wyjsciowy z ukladu porównywa¬ nia fazy o czas potrzebny do okreslenia znaku uchybu fazy przy pomocy specjalnego ukladu.Urzadzenie wedlug wynalazku nie posiada za¬ sadniczych wad dotychczasowych rozwiazan. Bu¬ dowa urzadzenia w postaci zamknietego ukladu re¬ gulacji zmniejsza wplyw zmian czestotliwosci sygnalów wejsciowych na dokladnosc urzadzenia, dopuszczalne sa wahania rzedu 50°/o. Mozliwy jest w tym rozwiazaniu pomiar zarówno zmian jak równiez wynikowego przesuniecia fazy.Przedmiot wynalazku przedstawiony jest w dwu rozwiazaniach przykladowych na rysunku na któ¬ rym Fig. 1 przedstawia schemat blokowy ukladu z usrednianiem wyniku pomiaru, a Fig. 2 schemat blokowy ukladu bez usredniania wyniku pomiaru.W pierwszym z tych dwu rozwiazan cyfrowy uklad pomiarowy przesuniecia fazowego sklada sie z na¬ stepujacych zasadniczych czesci: ukladu porówny¬ wania fazy 1, generatora 3 bramki iloczynowej dla impulsów dodawanych 7, bramki iloczynowej dla impulsów odejmowanych 8, bramki sumy 9, liczni¬ ka dzielacego 6, ukladu powielania czestotliwosci 5 oraz z licznika rewersywnego 4.Do ukladu pomiaru przesuniecia fazy doprowa¬ dzone sa dwa sygnaly: sygnal odniesienia, nazy¬ wany sygnalem zegarowym, oznaczony na rysunku Fig. 1 symbolem fz oraz sygnal nazywany pomia¬ rowym i oznaczony na tym samym rysunku sym¬ bolem fp. Uklad mierzy przesuniecia fazy sygnalu fp wzgledem sygnalu fz- Sygnal zegarowy po k^krotnym powieleniu jego czestotliwosci w po¬ wielaczu 5 jest doprowadzony do jednego z wejsc licznika dzielacego 6 poprzez bramke sumy 9.Pojemnosc licznika dzielacego 6 wynosi k impul¬ sów i dlatego jezeli licznik ten zlicza wylacznie impulsy wyjsciowe powielacza 5 czestotliwosc przebiegu wyjsciowego licznika dzielacego jest równa czestotliwosci sygnalu zegarowego a przesu¬ niecie fazowe pomiedzy tymi dwoma przebiegami jest stale. Faza sygnalu wyjsciowego z licznika dzielacego 6 jest porównywana z faza sygnalu po¬ miarowego f i jezeli przesuniecie fazowe pomie- 20 25 30 35 45 50 55 65 dzy tymi dwoma sygnalami jest rózne od zera na. wyjsciu ukladu porównywania fazy 1 pojawia sie/ rózne od zera napiecie, które zaleznie od swego znaku powoduje otwarcie bramki iloczynowej dla impulsów dodawanych 7 lub bramki iloczynowej dla impulsów odejmowanych 8.Otwarcie bramki iloczynowej dla impulsów do¬ dawanych 7 lub bramki iloczynowej dla impulsów odejmowanych 8, oznacza wprowadzanie dodatko¬ wych impulsów na jedno z wejsc licznika dziela¬ cego 6, które dodaja sie lub odejmuja od ilosci im¬ pulsów wprowadzanych do tegoz licznika z powie¬ lacza 5. Kazdy z tych dodatkowych impulsów, wy¬ twarzanych przez generator 3, przesuwa faze syg¬ nalu wyjsciowego z licznika dzielacego 6 o l/k pel¬ nego okresu sygnalu zegarowego zmniejszajac lub zwiekszajac przesuniecie fazowe wprowadzane przez jlicznik dzielacy 6 zaleznie od tego czy otwar¬ ta jest bramka iloczynowa dla impulsów dodawa¬ nych 7, kiedy to licznik dzielacy zlicza impulsy z generatora 3 i powielacza 5 tak jak gdyby one sie dodawaly, czy tez otwarta jest bramka iloczynowa. dla impulsów odejmowanych 8, kiedy to licznik ów zlicza te same impulsy tak jak gdyby sie one odejmowaly.Wprowadzanie impulsów dodatkowych, z gene¬ ratora 3, do licznika dzielacego 6 ma miejsce az do momentu wyrównania sie faz sygnalu wyjsciowego z licznika dzielacego 6 i sygnalu pomiarowego. Im¬ pulsy wyjsciowe z bramki iloczynowej dla impul¬ sów dodawanych 7 oraz z bramki iloczynowej dla impulsów odejmowanych 8 stanowia jednoczesnie impulsy wyjsciowe ukladu i kazdy z nich oznacza odpowiednio zmniejszenie lub zwiekszenie przesu¬ niecia fazy sygnalu p wzgledem sygnalu z o 360°/k.Zliczane w liczniku rewersywnym 4 daja one chwilowa wartosc przesuniecia fazowego pomiedzy- tymi dwoma sygnalami z dokladnoscia do l/k. 360°.Czestotliwosc generatora 3 jest modulowana wiel¬ koscia sygnalu wyjsciowego z ukladu porównywa¬ nia fazy 1 w ten sposób, ze zwiekszeniu zmierzo¬ nego przez wektoromierz przesuniecia fazowego odpowiada wzrost czestotliwosci generatora i na odwrót, dzieki czemu caly uklad staje sie bardziej stabilnym. Jezeli w opisanym ukladzie uklad po¬ równywania fazy 1 zawiera stale czasu równe kil¬ ku okresom sygnalu wejsciowego f z wówczas uklad ten bedzie mierzyl wartosc srednia (a nie chwilo¬ wa) przesuniecia fazy, co w pewnych zastosowa¬ niach moze miec istotne znaczenie.Cyfrowy uklad pomiarowy przesuniecia fazy bez usredniania wyniku pomiaru sklada sie z nastepu¬ jacych zasadniczych czesci: iloczynu porównywa¬ nia fazy 10, licznika dzielacego 6, ukladu wykry¬ wania znaku przyrostu przesuniecia fazowego 11, ukladu opóznienia 12, powielacza czestotliwosci 5, licznika rewersywnego 4, bramki iloczynowej dla impulsów dodawanych 7, bramki iloczynowej dla impulsów odejmowanych 8 oraz bramki sumy 9.Podobnie jak poprzednio do ukladu doprowadzone sa dwa sygnaly: zegarowy i pomiarowy.Sygnal zegarowy doprowadzony jest na wejscie powielacza 5, na którego wyjsciach pojawiaja sie wówczas ciagi impulsów o czestotliwosci repetycji k-krotnie wyzszej od czestotliwosci sygnalu zega-5 rowego i niewielkim wypelnieniu, przesuniete wzgledem siebie o pól okresu. Przebieg pojawiaja¬ cy sie na wyjsciu I powielacza 5 jest doprowadzo¬ ny do wejscia I licznika dzielacego 6 poprzez bramke 9. Pojemnosc licznika wynosi podobnie jak poprzednio k impulsów i dlatego jezeli zlicza on wylacznie impulsy wyjsciowe powielacza, cze¬ stotliwosc przebiegu wyjsciowego licznika jest równa czestotliwosci sygnalu zegarowego a przesu¬ niecie fazowe pomiedzy tymi dwoma przebiegami jest stale.Faza przebiegu wyjsciowego licznika dzielace¬ go € jest porównywana z faza sygnalu pomiarowe¬ go w iloczynie porównywania fazy 10. Jezeli po¬ równywane przebiegi róznia sie w fazie co naj¬ mniej o 360°k to w wyniku tego porównywania na wyjsciu iloczynu 10 pojawia sie przynajmniej je¬ den z impulsów przebiegu wyjsciowego II z powie¬ lacza 5.Jednoczesnie sygnal pomiarowy i przebieg wyj¬ sciowy licznika dzielacego G sa porównywane w ukladzie wykrywania znaku przyrostu przesunie¬ cia fazowego 11. Zaleznie od tego znaku otwierana jest bramka iloczynowa dla impulsów dodawanych 7 lub bramka iloczynowa dla impulsów odejmowa¬ nych 8, impulsy pojawiajace sie na wyjsciu iloczy¬ nu 10 trafiaja poprzez uklad opóznienia 14 na od¬ powiednie wejscie licznika 6. Kazdy z nich powo¬ duje skrócenie lub wydluzenie cyklu licznika o l/k okresu sygnalu zegarowego co jest równoznaczne z wprowadzeniem odpowiedniego przesuniecia fa¬ zowego i zapamietaniem tegoz przesuniecia.Wprowadzanie dodatkowych impulsów z wyjscia iloczynu 10 do licznika dzielacego 6 trwa tak dlu¬ go, az przesuniecie fazowe pomiedzy przebiegiem wyjsciowym licznika dzielacego 6 a sygnalem po¬ miarowym nie zmaleje ponizej 360°/k.l Kazda po¬ nowna zmiana przesuniecia fazowego pomiedzy ty¬ mi przebiegami, która spowoduje przekroczenie tej ostatniej wielkosci objawi sie jako wysylanie do¬ datkowych impulsów do licznika dzielacego 6. Im¬ pulsy pojawiajace sie na wyjsciu bramki iloczyno- 6 wej dla impulsów dodawanych 7 i bramki iloczy- nowej dla impulsów odejmowanych 8 sa jedno¬ czesnie impulsami wyjsciowymi ukladu pomiaro¬ wego i zliczane w liczniku rewersywnym 4 daja wynik pomiaru chwilowej wartosci przesuniecia fazowego w postaci cyfrowej. PL