RU1784924C - Низкочастотный цифровой фазометр - Google Patents

Abstract

Использование: фазоизмерительна  техника, измерение угла сдвига фаз между двум  гармоническими колебани ми в области низких частот. Сущность изобретени : устройство содержит: 2 формирующих устройства 1, 2, 1 управл ющее устройство 3, 2 источника опорных напр жений 4, 5, 5 электронных ключей 6-10, 2 блока выборки-хранени  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 управлени  АЦП 19, Ц ил.

Description

Изобретение относитс  к фазоизме- рительной технике и может быть использовано дл  измерени  угла Фаз между двум  гармоническими колебани ми в области низких частот.

Известны различные цифровые фазометры . Например, пр мого преобразовани  мгновенного значени  Фазового сдвига и периодического сравнени  дл  измерени  среднего значени  сдвига фаз.

Недостатком фазометров мгновенного значени  фазового сдвига  вл етс  необходимость знани  или измерени  частоты сигналов, а Фазометров среднего значени  фазового сдвига при изменении на очень низких частотах - недопустимо большое врем  измерени .

Известен цифровой низкочастотный фазометр, содержащий управл емый де-, литель напр жени , представл ющий

собой последовательное соединение выходных цепей двух преобразователей код-сопротивление. При этом выходное сопротивление одного из преобразователей пропоционально фазовому сдвигу , а второго - пропорционально величине 360° - if. При выполнении этого услови  выходное напр жение делител , на вход которого подаетс  стабильное посто нное напр жение, пропорционально фазовому сдвигу.

Недостатком этого устройства  вл етс  наличие большого числа резисторов и реле - сложность конструкции преобразовател  код-сопротивление, а также зависимость показаний отсчет- ного устройства от посто нного напр жени  UQ , нестабильность которого увеличивает погрешность измерени .

Наиболее близким к за вл емому  вл етс  цифровой низкочастотный фаN4

00

Jb

ч

к

« 

зометр, импользующий метол нахождени  поэтапным преобразованием /at и Т в посто нные напр жени  с последующим нахождением их отношени  путем двойного интегрировани .

Однако в таком фазометре при малы углах сдвига фаз возникают дополнительные погрешности, св занные с не- идеальностью интегратора.

Целбю изобретени   вл етс  уменьшение погрешности от неидеальности интегратора при изменении малых углов фазового сдвига.

Поставленна  цель достигаетс  тем что в устройстве формируютс  временные интервалы с длительност ми Т+ 4t и Т - ut, которые в последующем преобразуютс  в посто нные напр жени  и затем обрабатываютс  в блоке делени  (АЦП двойного интегрировани ) .

На фиг. 1 приведена структурна  схема фазометра; на фиг. 2 - диаграммы напр жений, по сн ющие принцип, действи ; на фиг.З, 4 - устройство блоков 3 и 19.

Фазометр содержит формирующие устройства 1 и 2, управл ющее устройство 3, источники 4 и 5 опорных напр жений, электронные ключи 6-Ю, блоки 11 и 12 выборки-хранени , интегратор 13, компаратор 14, инвертирующий усилитель 15, генератор 16 счетных импульсов, временной селектор 17, реверсивный счетчик 18, блок 19 управлени  АЦП.

Входы фазометра через последовательно соединенные формирующие устройства 1 и 2 соединены соответствен но с первым и вторым входами управл ющего устройства 3, выходы источников 4 и 5 соединены соответственно со входами электронных ключей 6 и 7, выходы которых соединены со входами интегратора 13 и выходами ключей 8- 10. Выход интегратора 13 соединен с точкой объедин ющей входы компаратора И и блоков 11 и 12 выборки- хранени , выход блока 11 выборки- хранени  соединен со входом инвертирующего усилител  15, выход последнего и выход блока 12 выборки-хранени  соединены соответственно со входами электронных ключей 9 и 10. Пер

вый, второй, третий, четвертый, п тый, шестой выходы управл ющего устройства 3, соединены соответственно с управл ющими входами электронных ключей

0

0

ig

5

6-8, блоков 11 и 12 выборки-хранени  и первым входом блока 19 управлени  АЦП. Второй и третий входы блока 19 управлени  АЦП соединены соответственно с выходом компаратора И и реверсивного счетчика 19, управл ющий вход которого соединен с третьим выходом блока 19 управлени , -четвертый выход которого соединен с управл ющим входом временного селектора 17, причем вход последнего соединен с выходом генератора 16 импульсов, а выход - со входом счетчика 16.

Устройстве 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 управл ющее устройство 3. Фазометр имеет четыре рабочих такта.

В течение первого такта, который начинаетс  с приходом импульса с выхода формирующего устройства 1 на первый вход управл ющего устройства 3, последнее на первом выходе вырабатывает импульс (фиг.2 иэ), открывающий электронный ключ 6. При повторном поступлении импульса с выхода формирующего устройства 1 на выходе k управл ющего устройства 3 выраба- 35 тываетс  короткий импульс (фиг.2 ие), осуществл ющий запись напр жени  и

0

в блок 11 выборки-хранени . Напр жение UT к этому моменту составит:

и - -И vt- -4 -VT i

Q

5

0

5

U. т

где UT - напр жение интегратора к

моменту времени Т; 1 - посто нна  времени интегратора ;

величина опорного напр жени  источника 4-, период исследуемого сигнала .

В момент времени t (фиг.2 U, 1Г5) первый такт интегрировани  заканчиваетс . В этот момент времени управл ющее устройство 3 вырабатывает сигнал , закрывающий ключ 6 (фиг.2 U, ) и открывающий ключ 7 (фиг.2 U4). fta- чинаетс  второй такт интегрировани . На вход интегратора подаетс  напр жение Ua с источника 5 с пол рностью, противоположной U . К этому моменту

5

времени t, (фиг.2), причем t., Т+J

выходное напр жение интегратора составит: -t,,

U

инт г

и

-

dt

v,

(2)

- Ј (т +лО,

гле UuHT1 напр жение интегратора

после первого тактаj Л t интервал времени, соответствующий фазовому сдвигу л (f

При повторном поступлении на первый вход управл ющего устройства 3 импульса с выхода формирующего устройства 1, устройство 3 на выходе 5 вырабатывает импульс, разрешающий зпись напр жени  ииНТ/2 в блок 12 выборки-хранени , которое (иинтг)к этому моменту составит (фиг.2 U6):

U

инт 2

U

1

1Т

ИНТ1

(-U,)dt

UMHT1 +-U2-Ј(2-T - t,)

,

(Т + dO-U. 2Т -dt )

- i-OV (Т + A t) - U2(T- dt)

I/

с учетом того, что /U., / |-U2 |:

U

пит 2

- и,

2

По окончании записи управл ющее устройство 3 вырабатывает импульс (фиг.2 Ug), замыкающий ключ 8, производ  тем самым сброс интегратора. После того, как сброс интегратора произведен, управл ющее устройство 3 на выходе 6 вырабатывает короткий импульс, обнул ющий показани  счетчика 18 и производ  запуск преобразований третьего и четвертого тактов интегрировани .

В начале третьего такта блок 19 управлени  открывает электронный ключ 9 (фиг.2 U,Q), вырабатывает на выходе 3 сигнал, перевод щий счетчик 18 в режим сложени  и на вход интегратора 13 поступает напр жение с инвертирующего усилител  15. В этот же момент времени открываетс  временной селектор 17 и на вход счетчика 18 разрешаетс  прохождение счетных им- пульсов с генератора 16 (фиг.2 IL).

Jt

В момент времени

Ц , коп .2 ),

а

10

когда счетчик

17 переполнитс  (фиг.2 U , третий такт закончитс  и интегратор 13 зар дитс  до напр жени  UMHT3

1 t«

иинтЗ J U

,(5)

- Ј. ииНТ7 4 Ч /

ГДе Ц

ИНТ 2

-K-dt

15

интз

-ь

выходное напр жение интегратора после третьего такта;

коэффициент передачи инвертирующего усилител  15;1 интервал времени, в течение которого осуществл етс  интегрирование

U

UHT 2

(фиг.2 U5).

20 Знак - под знаком интеграла равенства (5) показывает, что усилитель 18 инвертирует сигнал.

С началом четвертого такта интегрировани  (замкнут электронный ключ

25 Ю) напр жение UT с выхода блока 12 выборки-хранени . Конденсатор интегратора разр жаетс  и в момент, когда выходное напр жение станет равным

нулю (и

Инт 3

+ и

ИНТ 4

. 40 0), на выходе

( I 1 1 . VI I 1 | I

Зо компаратора 1ч вырабатываетс  импульс , поступающий на второй вход блока 19 управлени  (фиг.2 U13). Последним на выходе k вырабатываетс  импульс , запрещающий прохождение счетных импульсов с генератора 16 через

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

Таким образом:

0

иИНт4UWHT з- 1 t5 1 . - Ји

4 Зна , что временные интервалы t4

заполн ютс  счетными импульсами

(6)

5

генератора

0

ц v 16 с частотой f

t - No

t3 - f0

r. .& ,

6 (7)

(8)

где N , N - число импульсов соответственно в третьем и четвертом тактах интегрировани .

Реша  уравнение (5) относительно

чt4 ), получим

(t

/

- t ) - -ft - t ) У-и-н к

f - t4; - U4 t3; и к

(9) четом (1) и (4), (7), (8):

С учетом N

-K-N0- -VK 2d(f(10)

где utP- измер емый Лазовый сдвиг.

Выбира  значение NO кратным 18, можно получить отсчет непосредственно в градусах.

При измерении углов cf , больших 180°, в четвертом такте счетчик 18 импульсов переполн етс  и вырабатывает импульс, поступающий на третий вход блока 19 управлени .Последний переводит счетчик 18 в режиме вычитани  и в счетчике импульсов будет , фиксироватьс  а число Nq,, соответствующее фазовому сдвигу с учетом знака разности фаз.

на  неидеальностью интегратора и конечным временем переключени  ключа| - расшир ютс  функциональные воз- , ц можности фазометра - по вл етс  возможность отсчета значени  сдвига фаз с учетом знака, т.е. по вл етс  возможность в определении сдвига фаз, а следовательно - измерение фазы в

JQ больших пределах.

На фиг. 3 и фиг.4 приведены примеры выполнени  узлов 3 и 18 соответственно . Управл ющее устройство (фиг.З) содержит: генератор 1 пусковых им15 пульсов, 1К-триггер 2, D-триггер 3, дифференцирующие цепочки 4, 6, 9, С-триггер 5, одновибратор 7, инвертор 8. Блок управлени  (фиг.4) содержит: RS-триггеры 1 и 2, С-триггер 3,

20 элемент И k.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Нелинейность выходного напр жени , возникающа .в момент начала единичного воздействи  на входе интегратора (фиг.2 - U5 начало первого и второго тактов) порождает высокочастотную погрешность интегрировани , возникающей, если врем  интегрировани  4t соответствующее фазовому

   сдвигу Л Ц1, соизмеримо с посто нной времени - (где -Ј,,- посто нна  времени

   К т

   усилител  интегратора, К - коэффициент усилени  усилител ). Такой случай возможен при измерении малых значений 4If. В предлагаемом устройстве за счет интегрировани  на интервалах от 0 до Т + t и от Т + 4t до 2Т така  нелинейность возникает дважды и носит противоположный знак, за счет чего к окончанию интегрировани  второго такта, компенсируетс .

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

   Таким образом, формирование последовательностей импульсов с длительност ми T + 4tMT-4t, которые в последующем преобразуютс  в посто нные напр жени  и обрабатываютс  в блоке делени , позвол ет обеспечить следующий положительный эффект, приводимый в сравнении с прототипом:

   - исключаетс  погрешность преобразовани  ди в напр жение, обусловленФормула изобретени 

   Низкочастотный цифровой фазометр,

   содержащий два формировател , четыре электронных ключа, управл ющее устройство , генератор импульсов, временной селектор, счетчик, первый источник опорного напр жени , интегратор , компаратор, два блока выборки- хранени  и инвертирующий усилитель, при этом входы формирователей  вл ютс  входами фазометра, выход первого источника опорного напр жени 

   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-хранени , а также с выходом третьего электронного ключа, выход первого блока выборки-хранени  через инвертирующий

   усилитель подключен к входу второго электронного ключа, выход второго блока выборки-хранени  подключен к входу четвертого электронного ключа, первый, третий, четвертый и п тый

   выходы управл ющего устройства подключены соответственно к управл ющим входам первого и третьего электрон--, ных ключей, первого и второго блоков выборки-хранени , генератор импульсов через временной селектор подключен к входу счетчика импульсов, о т- личающийс  тем, что, с целью уменьшени  погрешности при измерении малых углов сдвига фаз, в него