SU1219983A1 - Автокомпенсационный фазометр - Google Patents

Abstract

Изо6ретение относитс  к области измерительной техники, в частности к устройствам дл  измерени  фазы, и может быть использовано в автоком пенсационных фазометрах с цифровым отсчетом. Цель изобретени  - повышение точности измерени  путем уменьшени  погрешности дискретизации. Поставленна  цель достигаетс  последовательным включением в один канал известного автокомпенсационного фазометра блока выработки случайного фазового сдвига, а также подключением к выходам устройства блока вычислени  среднего значени  кодов. При этом измерение фазового сдвига производитс  многократно. Окончательный результат определ етс  путем усреднени  результатов отдельных измерений . Введение дополнительного случайного фазового сдвига и многократный режим измерени  с усреднением результатов значительно уменьшают погрешность дискретизации, обусловленную конечным числом дискретных фазовращателей. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

1

Изобретение относитс  к измерительной технике, точнее к устройствам дл  измерени  фазы, и может быть использовано в автокомпенсационных фазометрах с цифровым отсчетом .

Цель изобретени  заключаетс  в повышении точности измерени  путем уменьшени  погрешности дискретизации .

Последовательное включение в один канал известного автокомпенсационного фазометра блока выработки случайного фазового сдвига и подключение к выходам устройства блока вычислени  среднего значени  кодов компенсации обеспечивает повьш1ение точности измерени  за счет уменьшени  ошибки дискретизации.

На чертеже представлена структурна  схема автокомпенсационного фазометра .

Фазометр содержит блок 1 выработки кодов компенсации, электронные ключи 2, дискретные фазовращатели 3, первую входную шину 4, фазовый детектор 5, первый вход 6 блока 1 выработки кодов компенсации, второй вход 7 блока 1 выработки кодов компенсации, блок 8 формировани  пусковых импульсов , блок 9 вычислени  среднего значени  кодов компенсации, дополнительный выход 10 блока 1 выработки кодов компенсации, формирователь 11 импуль са, индикатор 12, блок 13 выработки случайного фазового сдвига, выход 14 и вход 15 блока выработки случайного фазового сдвига, вторую входную шину 16, блок 17 сложени , разр дные (информационные) входы 18 первого слагаемого, первый регистр 19, второй регистр 20, блок 21 делени , счетчик 22, тактовый вход 23, вход 24 синхронизации, первый 25 и второй 26 элементы задержки, разр дные входы 27 второго слагаемого, управл емый фазовращатель 28, цифроанало roBbtfi преобразователь 29, регистр 30, генератор 31 случайных чисел, первый ключ 32, одновибратор 33, второй ключ 34, генератор 35 тактовых импульсов.

Одни выходы блока 1 выработки кодов компенсации подключены к управл ющим входам электронных ключей 2, каждый из которых подключен параллельно соответствующему дискретному фазовращателю 3, которые соединены

19983 ..2

последовательно между первой входной шиной 4 и первым входом фазового детектора 5, выход которого присоединен к первому входу 6 блока 1 выJ работки кодов компенсации, второй вход 7 которого подключен к выходу блока 8 формировади  пусковых импульсов и тактовому входу блока 9 вычислени  среднего значени  кодов, формационные входы которого подключены к другим выходам блока 1 выра- ботки кодов компенсации, дополнительный выход 10 которого через формирователь 11 импульса соединен с

J5 входом 24 синхронизации блока 9 вычислени  среднего значени  кодов компенсации , выходы которого подключены к входам индикатора 12, а вход синхронизации блока 9 вычислени  сое20 динен с входом синхронизации блока 13 выработки случайного фазового сдвига , вход 15 и выход 14 которого подключены между входом фазового детектора 5 и второй входной шиной 16.

Блок 9 вычислени  среднего значени 

кодов компенсации содержит блок 17 сложени , разр дные входы 18 первого слагаемого которого  вл ютс  информационными входами блока 9,

jg а входы блока 17 сложени  подключены k входам первого регистра 19, выходы которого присоединены к входам второго регистра 20 и одним входам блока 21 делени , другие входы которого соединены с выходом счетчика 22, тактовый вход которого  вл етс  тактовым входом 23 блока 9 вычислени , вход 24 синхронизации которого подключен к входу первого элемента 25 задержки, выход которого соединен с разрешающим входом первого регистра 19 и входом второго элемента 26 задержки , выход которого подключен к разрешающему входу второго регистра 20, выходы которого соединены соответственно с разр дными входами 27

второго слагаемого блока 17 сложени , а выходы блока 21 делени  подключены к входам индикатора 12,

50 блок 13 выработки случайного фазового сдвига содержит управл емый фазовращатель 28, управл ющий вход которого подключен к выходу цифроанало- гового преобразовател  29, входы

55 которого соединены с выходами регистра 30, информационные входы которого подключены к выходам генератора 31 случайных чисел, а разрешающий

35

40

45

3

вход регистра 30  вл етс  входом синхронизации блока 13 выработки случайного фазового сдвига, а блок 8 формировани  пусковьк импульсов содержит первый ключ 32, подключенный между шиной нулевого потенциала и входом одновибратора 33, выход которого соединен с управл ющим входо второго клича 34, вход которого соединен с выходом генератора 35 тактовых импульсов, а выход ключа 34  влетс  выходом блока 8 формировани  пусковых импульсов.

Устройство работает следующим образом.

Входные гармонические сигналы, фазовый сдвиг между которыми необходимо измерить, поступают на входные шины 4 и 16.

Измерение осуществл етс  компенсационным методом с поразр дным уравновешиванием измер емого фазового сдвига. Поразр дна  компенсаци  производитс  подключением соответствующих дискретных фазовращателей 3 в одном из каналов до обеспечени  синфазности входных напр жений на входах фазового детектора 5, при срабатывании которого введенный известный фазовый сдвиг  вл етс  мерой измер емого фазового сдвиг

Особенностью устройства  вл етс  то, что измерение фазового сдвига производитс  многократно, окончательный результат определ етс  путе осреднени  результатов отдельных измерений. При этом с помощью фазовращател  28 в блоке 13 в каждом отдельном измерении к фазе сигнала, поступающего на вторую входную шину 16, добавл етс  дополнительный фазовый сдвиг, значение которого  вл етс  случайной величиной с известным законом распределени . Случайный фазовый сдвиг сохран етс  посто нным в течение времени одного измерени . Формирование этого дополнительного фазового сдвига производитс  перед каждым измерением в блоке 13, вход и вьпсод которого включены последовательно с второй входной шиной 16.

Введение дополнительного случайного фазового сдвига и многократный режим измерени  с осреднением результатов позвол ет значительно умен шить погрешность дискретизации, обусловленную конечным числом дискретных фазовращателей 3.

219983 .

Рассмотрим работу устройства более подробно.

В известном цифровом компенсационном фазометре за счет дискретного 5 характера уравновешивани  измер емый фазовый сдвиг определ етс  с ошибкой , равной минимальному шагу компенсации

10

.

9

(1)

где М „,„ измер емый фазовый сдвиг; f - числовое значение уровн  дискретизации, при кото- J5ром производитс  компенса ци ;

Ч - минимальный шаг компенсации;

ошибка дискретизации, мак- 20 . симальное значение которой равно шагу компенсации .

Отождествление измер емого фазового сдвига „iM производитс  с бли- 25 жайшим меньшим уровнем дискретизации с числовым значением м

саHJM

МО же истинное значение vf лежит в пределах

30 u « s H «j(NHi«4-lJu K (2)

И определ етс  с точностью, не пре- вьш1ающей ошибки дискретизации

Лоз Л к35 Дл  повышени  точности положение изм между двум  уровн ми дискретизации определ етс  путем осреднени  результатов h измерений , в каждом из которых измер е40 мый фазовый сдвиг увеличиваетс  иа случайную величину, распредепеииую по равномерному закону в интервале О - йЧк .

Принима , что: f - измер е45 мый фазовый сдвиг посто нен в течение п измерений, где п - общее количество измерений; fp - зна-. чение случайного фазового сдвига, которое добавл етс  к измер емому .

50 фазовому сдвигу при каждом 1-м измерении, распределено по случайному равномерному закоиу в интервале О - Л М к посто ино в процессе одного измерени , то за врем  п 55 измерений возможно выполнеиие одио- го из условий:

NHJM (N„,„4 1)4 ч,

(3)

или

(N,) аЧк 44,, . ,(4)

Пусть в результате п измерений суммарной величины ( Ч, +4 )

Ц jr - С. At

раздаст измерени , рав- ( + 1)&Ч , и , равные значению

фазометр п ные значению (п - п.) раз,

Иизм

То есть при общем числе измерений п условие (4) вьтолн етс  п раз, а условие (З) выполн етс  (п- -п) раз, и положение измер емой величины Ч между соседними дискретными уровн ми может быть определено с учетом веро тности 1д :

h

У -N

ijri и

ДМ .

(5)

Очевидно, что выражение {5) представл ет собой среднее значение результатов измерений фазового сдвига ,j , к которому добавлен допол- нительньш сдвиг - :

п

е

HljM

N

И1,М1

I -1

. Nv ъмйЧ к(и-иЛ-ь()

К, +

h,

йЧ),.

(6)

h - .к

Таким образом, введение дополнительного случайного фазового сдвига М сл; и определение результатов п измерений позвол ет в Гп раз уменьшить погрешность дискретизации .

Определение значени  измер емого фазового сдвига 4, в соответствии с выражением (6j в устройстве производитс  следующим образом.

Входные сигналы поступают на первую 4 и вторую 16 входные шины. Измерение начинаетс  с включени  первого ключа 32, который запускает одновибратор 33. На входе одновиб- ратора 33 формируетс  длинный одиночный импульс, которьй поступает на управл ющий вход второго ключа 34 и разрешает прохождение импульсов с выхода генератора 35 Тактовых импульсов через ключ 34 на вход бло.ка 8 формировани  пусковых импульсов, при этом на выходе блока 8 по вл етс  пачка пусковых импульсов. По окончании импульса на выходе одновибратора 33 ключ 34 закрываетс  и поступление

0

5

0

5

0

5

5

импульсов на выходе блока 8 формировани  пусковых импульсов прекращаетс . Дп  по влени  новой пачки импульсов необходимо произвести повторное включение ключа 32.

Так как по каждому пусковому импульсу в устройстве производитс  одйо измерение, то период между пусковыми импульсами выбран больше, чем врем  одного измерени . Последовательное поступление заданного числа п пусковых импульсов с выхода блока 8 обеспечивает автоматическое проведение п измерений.

Пусковые импульсы с выхода блока 8 формировани  пусковых импульсов поступают последовательно на второй вход 7 блока 1 выработки кодов компенсации . При поступлении первого пускового импульса блок 1 выработки кодов компенсации начинает формирование компенсирующего кода на своих выходах. Сформированный код компенсации , соответствующий измер емому сдвигу, фиксируетс , т.е. производитс  однократное измерение. При поступлении следующего пускового импульса блок 1 выработки кодов компенсации вновь начинает свою работу, чтобы произвести новое измерение.

Процесс однократного измерени  фазового сдвига заключаетс  в том, что на одних выходах блока 1 формировани  кодов компенсации по вл етс  код, который, поступа  на управл ющие входы электронных ключей 2, вы-, зьшает их выключение в соответствии с кодом и обеспечивает тем самым введение компенсирующих фазовых сдвигов с помощью соответствующих дискретных фазовращателей 3.

Отличительна  особенность заключаетс  в том, что при измерении производитс  компенсации с помощью дискретных фазовращателей 3 измер емого фа-зового сдвига Ч вместе с допол

изм

CM

конитет ьным фазовым сдвигом Ч , торый вводитс  в канал второго входного сигнала с помощью последовательно включенного блока 13 выработки . случайного фазового сдвига.

Таким образом, код компенсации, зафиксированный на выходах блока 1 выработки кодов компенсации по окончании каждого измерени  соответствует величине ( + ).

После окончани  каждого измерени  на дополнительном вькоде 10 блока 1 вь1работки кодов компенсации по вл етс  сигнал, который ет на вход формировател  11 импульса , на выходе которого по переднему фронту входного сигнала формируетс  одиночный импульс. Этот импульс поступает на вход синхронизации блока 13 выработки случайного фазового сдвига, вызыва  установку нового слчайного фазового сдвига , который вводитс  в блоке 13 между второй входной шиной 16 и вторым входо фазового детектора 5. Поскольку на дополнительном выходе 0 сигнал по вл етс  после каждого измерени , то и установка случайного фазового сдвига производитс  после каждого измерени , причем каждый раз значение этого сдвига мен етс  по равномерному случайному закону. Б качестве второго входа 7 и дополнительного выхода 10 использованы соответственные входы Пуск и Стоп известного устройства.

. Одновременно одиночный импульс с выхода формировател  11 импульса поступает на вход 24 синхронизации блока 9, где производитс  вычисление среднего значени  дл  п измерений . Это осуществл етс  следующим образом.

Результат первого измерени  Н, в виде кода поступает на информаци- онные входы блока 9 вычислени  среднего значени  кодов компенсации, которыми  вл ютс  разр дные входы 18 первого слагаемого блока 17 сложени , и по вл етс  на входах блока 17 сложени , так как на разр дные входы 27 второго слагаемого посту- пает нулевой код. С выходов блока 17 сложени  код NVVJMI поступает :на входы первого регистра 19. Одновременно одиночньй импульс, поступающий на вход 24 синхронизации, задерживаетс  в первом 25 элементе задержки и с его выхода поступает на разрешающий вход первого регистра 19. При его поступлении в первый jMOMeHT происходит, занесение в первый регистр 19 кода N„J,1 с выходов блока 17 сложени , В следующий момент код КиАм.г выхода первого регистра 19 поступает на одни входы блока 21 делени  и входы второго регистра 20, занесение в который производитс  по разрешающему импульсу, поступающему с выхода второго элемента 26 задержки. В следующий мо2199838

мент код N J с выходов второго

регистра 20 поступает на разр дные входы 27 второго.слагаемого.

По второму пусковому импульсу производитс  второе измерение, результат которого KMJM S виде кода вновь поступает на разр дные входы I8 первого слагаемого блока 17 сложени , где складываетс  со значением NмJ .

10

15

Результат сложени  с выхода блока 17 сложени  заноситс  в первый регистр 19, а затем и во второй регистр 20 в моменты прихода разрешающего импульса с выхода первого 25 и второго 26 элементов задержки на соответствующие разрешающие входы. После этого результат измерени  ( N + N

20

50

И1М1

«iM г

) с выхода регистра 20 поступает на разр дные входы 27 второго слагаемого блока 17 сложени .

После третьего измерени  в блоке 17 сложени  вновь производитс  сложение результата третьего измерени  с результатами двух предьщущих, а

25 суммарный результат вновь последовательно заноситс  в первый 19 и второй 20 регистры.

Таким образом, после проведени  п измерений суммарное значение всех результатов измерений (NHJMI + + .... ) оказьшаетс  записанным в регистрах 19 и 20, а с выхода первого регистра 19 код этого значе - ни  поступает на одни входы блока 21 делени , на другие входы которо35 го с выхода счетчика 22 поступает код, соответствующий числу проведенных измерений п. Код этого числа образовываетс  в счетчике 22 за счет поступлени  на его вход такто вых импульсов с выхода блока 8 формировани  пусковых импульсов. По этим пусковым импульсам одновременно производитс  п измерений и заполнение счетчика 22. В блоке 21 делени  осу ществл етс  деление суммы результатов измерений н а количество проведенных измерений, т.е. вычисл етс  среднее значение результатов измерений в соответствии с выражением (6). Частное от этого делени , соответствующее

измер емому значению фазового сдвига, поступает на входы блока индикации, который осуществл ет его визуализацию .

Введение дополнительного фазового сдвига , который складава- етс  с измер емой разностью фаз, производитс  в устройстве с помощью

блока 13 выработки случайного фазового сдвига, вход 15 и выход 14 которого включены последовательно меж Ду второй входной шиной 16 и вторым входом фазового детектора 5. Блок выработки случайных фазовых сдвигов обеспечивает при каждом измерении фазовый сдвиг, значение которого  вл етс  случайной величиной, равномерно распределенной в интервале О Л Ч , и работает следующим обК

разом.

При поступлении с выхода формировател  1I одиночного импульса на его синхронизирующий вход, которым  вл етс  разрешающий вход регистра 30, в регистр 30 заноситс  код случайного числа, который поступает в данный момент на его входы с выхода генератора 31 случайных чисел. Код случайного числа, зафиксированный в регистре 30, поступает на вход цифроаналогового преобразовател  29, на выходе которого формируетс  напр жение, соответствующее случайному числу. Это напр жение поступает на управл ющий вход фазовращател  28, который и устанавливает случайный фазовый сдвиг у . Значение этого фазового сдвига сохрн етс  посто нным, пока не произойдет изменение кода, записанного в регистре 30. Занесение нового случайного числа в регистре 30 производитс  только при поступлении импульса на его. разрешающий вход с выхода формировател  11, т.е. после каждого измерени . Разр дность регистра 30 и цифроа налогового преобразовател  29 и диапазон изменени  фазы фазовращател  28 выбраны таким образом, что обеспечивают изменение случайного напр жени  на выходе о цифроаналогового преобразовател  29 так, чтобы управл емый фазовращатель 28 вносил фазовый сдвиг в пределах 0 - ДЧ ц .

При проведении большего количества измерений ошибка дискретизации уменшаетс  пропорционально корню квадратному из числа измерений и при значительных количествах измерений может быть практически исключена.

Указанное техническое преимущество позвол ет повысить точность измерени  цифровых фазометров компенсационного типа за счет уменьшени  ошибки дискретизации.

1219983 t Формула

10 изобретени 

Claims (4)

1.Автокомпенсационный фазометр, содержащий блок выработки кодов компенсации , электронные ключи, дискретные фазовращатели, фазовый детектор, блок формировани  пусковых импульсов и индикатор, причем одни выходы блока выработки кодов компенсации подключены к управл ющим входам электронных ключей, каждый из которых подключен параллельно соответствующему дискретному фазовращателю, которые соединены последовательно между первой входной шиной и первым входом фазового детектора, выход которого присоединен к первому входу блока выработки кодов компенсации, второй вход которого поключен к выходу блока формировани  пусковых импульсов, отличающийс  тем, что, с целью повьшгени  точности измерени  путем уменьшени  погрешности дискретизации , фазометр дополнительно содержит блок выработки случайного фазового сдвига и блок вычислени  среднего значени  кодов компенсации, тактовый и информационные входы которого присоединены к второму входу и другим вькодам блока выработки кодов компенсации, дополнительный выход которого через введенный формирователь импульса соединен с входом синхронизации блока вычислени  среднего значени  кодов компенсации и входом синхронизации блока выработки случайного фазового сдвига, у которого выход и вход подключены соответственно к второму входу фазового детектора и второй входной шине, а выходы блока вычислени  среднего значени  кодов компенсации подключены к входам индикатора.

2.Фазометр по п. 1, о т л и ч а- ю щ и и с   тем., что блок вычислени  среднего значени  кодов компенсации содержит блок сложени , разр дные входы первого слагаемого которого  вл ютс  информационными входами блока вычислени  среднего значени  кодов компенсации, а выходы блока сложени  подключены к входам первого регистра, выходы которого присоединены к входам второго регистра

и одним входам блока делени , другие входы которого соединены с выходом счетчика, тактовьй вход которого  вл етс  тактовым входом всего блока вычислени  среднего значени  кодов

11

компенсации, вход синхронизации которого подключен к входу первого элемента задержки, выход которого соединен с разрешающим входом первого регистра и входом второго элемента задержки, выход которого подключен к разрешающему входу второго регистра, выходы которого соединены соответственно с разр дными входами второго слагаемого блока сложени , а выходы блока делени   вл ютс  выходами блока вычислени  среднего значени  кодов компенсации .

3. Фазометр по п. 1, отличающийс  тем, что блок выработки случайного фазового сдвига содержит управл емый фазовращатель, вход и выход которого  вл ютс  соответственно входом и выходом Bcei o блока, а управл ющий вход подключен

S

21998312

к выходу цифроаналогоБого преобразовател , входы к оторого подключены к выходам регистра, информационные входы которого подключены к выходам генератора случайных чисел, а разрешающий вход регистра  вл етс  входом синхронизации блока выработки случайного фазового сдвига.

10

4. Фазометр по п. 1, о т л и ч а- ю щ и и с   тем, что блок формировани  пусковых импульсов содержит первый ключ, подключенный между шиной нулевого потенциала и входом

15 одновибратфра, выход которого-соединен с управл ющим входом второго ключа, вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов , а выход второго ключа  вл етс 

20 выходом блока формировани  пусковых импуль сов.

Редактор Р. Цицика

Составитель Ю. Макаревич

Техред В. Кадар Корректор Г. Решетник

Заказ 1319/53 Тираж 728 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушска  наб., д. 4/5

Филиал ГОШ Патент, г. Ужгород, ул. Проектна ,