SU1285396A1 - Устройство дл измерени сдвига фаз - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике. Цель - повышение точности измерени  сдвига фаз. Устройство дл  измерени  сдвига фаз содержит управл емый фазовращатель (Ф) 2, компенсирующий Ф 3, фазовый детектор 4, пороговый блок (Б) 6,генератор 7 импульсов, реверсивный счетчик 8. Цель достигаетс  тем,что в него введены усилители-ограничители 1,5 и Б сум1«1рова1ш  9, включающий источник посто нного напр жени , п делителей напр жени  I1, мультипликатор 12 и операционный усилитель 13. В описании изобретени  даны математические зависимости измер емых, величин. Изобретение предназначено дл  использовани  в измерительных устройствах автоматики и дл  измерени  угла сдвига фаз в диапазоне от -90 до +90°. 1 з.п.ф-лы, 3 ил. UaiM i W

Description

кэ

00

ел

CAD

Изобретение относитс  к измерительной технике, конкретно к фазоиз- мерительным устройствам, и предназначено дл  использовани  в измерительных устройствах автоматика и дл  измерени  угла сдвига фаз в диапазоне от -90 до +90.

Цель изобретени  - повышение точности измерени  сдвига фаз путем комни  с первыми входами двух компара торов 16.1 и 16.2, выход первого к паратора 16.1 соединен с первыми в дами элемента И 17 и элемента ИЛИ- НЕ 18, выход второго компаратора с динен с вторыми входами элемента И 17 и элемента ИЛИ-НЕ 1&. Выходы элементов 17 и 18 соответственно с динены с первыми входами второго и

пенсации нелинейности выходных харак- О третьего элементов И 19.1 и 19.2,

теристик фазового детектора и управл емого фазовращател .

На фиг.1 представлена структурна  схема устройства; на фиг. 2 - схема порогового блока; на фиг. 3 - диаграмма , по сн юща  режимы работы блока суммировани .

Устройство дл  измерени  сдвига фаз содержит последовательно соединенные усилитель-ограничитель 1, уп- равл емый фазовращатель 2, компенсирующий фазовращатель 3, фазовый деОпорный и измер емый сигналы поступают на соответствующие входы устройства , с помощью усилителей-ограничителей 1 и 5 усиливаютс  и ограго детектора 4. Причем опорный сигнал после усилител -ограничител  1 проходит управл емый фазовращатель

тектор 4. Другой вход фазового детектора 4 соединен с выходом усилител - 25 ничиваютс  по амплитуде и поступа- ограничител  5, а выход фазового де- ют на соответствующие входы фазово- тектора 4 соединен с первым входом порогового блока 6, второй вход ко- , торого соединен с генератором 7 импульсов . Выходы порогового блока .6 ЗО 2, где получает определенный сдвиг, соединены с соответствующими входами и компенсирующий фазовращатель 3, реверсивного счетчика 8, информацион- где осуществл етс  сдвиг фазы опорные вькоды которого соединены с уп- ного сигнала на 90° плюс угол, ком- равл ющими входами управл емого фазо- пенсирующий разность статических на- вращател  2 и первыми управл ющими ос бегов фаз измерительного и опорного входами блока 9 суммировани , второй вход которого соединен с выходом фазового детектора 4. Блок 9 суммировани  состоит из последовательно соединенных источника 10 посто нного 40 торого соответствует сдвигу фаз опор- напр жени  и п делителей 11 напр же- ного и измер емого сигналов. Выходканалов устройства. Фазовый детектор 4 сравнивает фазы опорного и измерительного сигналов и на его выходе по вл етс  сигнал, амплитуда кони  с первыми входами двух компараторов 16.1 и 16.2, выход первого компаратора 16.1 соединен с первыми входами элемента И 17 и элемента ИЛИ- НЕ 18, выход второго компаратора соединен с вторыми входами элемента И 17 и элемента ИЛИ-НЕ 1&. Выходы элементов 17 и 18 соответственно соединены с первыми входами второго и

i вторые входы которых обьединены и  вл ютс  вторым входом блока 6, первый вход которого соединен с вторыми входами первого и втор.ого компа- раторов, выходом блока 6  вл ютс  выходы второго и третьего элементов И 19.1 и 19.2.

Устройство дл  измерени  сдвига фаз работает следуюиц1м образом.

Опорный и измер емый сигналы пос тупают на соответствующие входы устройства , с помощью усилителей-ограничителей 1 и 5 усиливаютс  и ограничиваютс  по амплитуде и поступа- ют на соответствующие входы фазово- 2, где получает определенный сдвиг, и компенсирующий фазовращатель 3, где осуществл етс  сдвиг фазы опорного сигнала на 90° плюс угол, ком- пенсирующий разность статических на- бегов фаз измерительного и опорного торого соответствует сдвигу фаз опор- ного и измер емого сигналов. Выходго детектора 4. Причем опорный сигнал после усилител -ограничител  1 проходит управл емый фазовращатель

ничиваютс  по амплитуде и поступа- ют на соответствующие входы фазово- 2, где получает определенный сдвиг, и компенсирующий фазовращатель 3, где осуществл етс  сдвиг фазы опорного сигнала на 90° плюс угол, ком- пенсирующий разность статических на- бегов фаз измерительного и опорного торого соответствует сдвигу фаз опор ного и измер емого сигналов. Выходничиваютс  по амплитуде и поступа- ют на соответствующие входы фазово- 2, где получает определенный сдвиг, и компенсирующий фазовращатель 3, где осуществл етс  сдвиг фазы опорного сигнала на 90° плюс угол, ком- пенсирующий разность статических на- бегов фаз измерительного и опорного торого соответствует сдвигу фаз опор- ного и измер емого сигналов. Выходканалов устройства. Фазовый детектор 4 сравнивает фазы опорного и измерительного сигналов и на его выходе по вл етс  сигнал, амплитуда ко

ни , выход каждого из которых соединен с соответствукщим входом аналогового мультиплексора 12. Выход аналогового мультиплексора 12 соединен с одним из входов операционного-усилител  13, другой вход которого  вл етс  первым входом блока 9 суммированой сигнал фазового детектора 4 поступает на вход блока 6, а значит, на соответствующие входы компарато- 45 ров 16.1, 16.2, Пороги срабатывани  компараторов установлены с помощью источника 14 посто нного напр жени  и резистивных делителей 15.1 и 15.2 напр жени  и равны один U. , а дру ки  и соединен с выходом фазового детектора 4, причем управл ющие входы 50 гой U (фиг.З). Тогда выходной сиг- аналогового мультиплексора 12  вл ют- нал с фазового детектора 4 в зависи- с  другими входами блока 9 суммировани . Выход операционного усилител  13  вл етс  выходом блока 9 суммировани  и всего устройства в целом.

мости от своей амплитуды может попасть в один из трех амплитудных диапазонов: О-,5,&, границы которых 55 определ ютс  нулем, порогами сраба- тьшани  компараторов 16.1 и 16.2 Uy и Ug и ма ксимальной величиной амплитуды выходного сигнала фазового детектора 4 U , (фиг.З). Каждому

В состав порогового блока 6 входит источник 14 по сто нного напр жени , два выхода которого соединены через делители 15.1 и 15.2 напр женой сигнал фазового детектора 4 поступает на вход блока 6, а значит, на соответствующие входы компарато- ров 16.1, 16.2, Пороги срабатывани  компараторов установлены с помощью источника 14 посто нного напр жени  и резистивных делителей 15.1 и 15.2 напр жени  и равны один U. , а другой U (фиг.З). Тогда выходной сиг- нал с фазового детектора 4 в зависи-

гой U (фиг.З). Тогда выходной сиг- нал с фазового детектора 4 в зависи-

мости от своей амплитуды может попасть в один из трех амплитудных диапазонов: О-,5,&, границы которых определ ютс  нулем, порогами сраба- тьшани  компараторов 16.1 и 16.2 Uy и Ug и ма ксимальной величиной амплитуды выходного сигнала фазового детектора 4 U , (фиг.З). Каждому

из этих диапазонов соответствует свой код на выходах компараторов 16 и 16.2. Так, диапазону а соответствует код 11, диапазону - 01, диапазону Ь - 00 (фиг.З). Пусть выходной сигнал фазового детектора 4 попадет в диапазон сх, тогда на выходе элемента И 17 по витс  сигнал соответствующий уровню 1, и на вы- ходе соответствующего элемента И 19 по витс  импульс генератора 7 импульсов , поступак ций на второй вход порогового блока 6. Импульс с выхода соответствующего элемента И 19 пос- тупит на суммирующий вход реверсив- ного счетчика 8, в соответствии с чем на его выходе цифровой код увеличитс  на 1, а это значит, что управл емый фазовращатель 2 увеличит угол сдвига фазы опорного сигнала. Так как сдвиг фазы опорного сигнала увеличилс , то амплитуда выходного сигнала фазового детектора 4 уменьшитс , а это значит, что выходной сигнал фазового детектора 4 может попасть в амплитудный диапазон (5 .Если этого не произошло, то следующий импульс генератора 7 импульсов снова поступит через пороговый блок 8 на суммирующий вход реверсивного счетчика 8 и весь процесс работы повторитс  снова. Так будет повтор тьс  до тех пор, пока выходной сигнал фазового детектора 4 не попадет в амгшитудньш диапазон 5 , Если выходной сигнал фазового детектора 4 попал в амплитудный диапазон Ь , то процесс работы происходит аналогично описанному с той лишь разницей, что открыва етс  элемент ИЛИ-НЕ 18 и. другой элемент И 19 и импульс с генератора 7 импульсов поступает на вычитающий вход реверсивного счетчика 8, который уменьшает на 1 циф- ровой код на своем выходе, а значит, угол сдвига фаз управл емого фазовращател  2 уменьшитс , следовательно, амплитуда выходного сигнала фазового детектора 4 увеличитс . Так будет продолжатьс  до тех пор, пока выходной сигнал фазового детектора 4 не

С5-.

попадет в амплитудньй диапазон

Таким образом, какой бы ни бьша амплитуда выходного сигнала фазового детектора 4, ее величина, спуст  некоторое врем , об зательно будет лежать в границах амплитудного диапазона S (фиг.З).

Цифровой код, соответствующий углу сдвига фаз управл емого фазовращател  2, поступает на управл ющие входы аналогового мультиплексора 12, который на вход операционного усилител  13 в соответствии с этим кодом подключает выход соответствующего ре- зистивного делител  11 напр жени . Операционный усилитель 13 суммирует напр жение с выхода соответствующего резистиБНОго делител  11 напр жени  с напр жением выходного сигнала фазового детектора 4 и их сумму усиливает и подает на выход всего уст ройства.

Пусть угол сдвига фаз входных сиг- налов предлагаемого устройства равен 1 , тогда угол сдвига фаз входных сигналов фазового детектора 4 равен

ci 1 - Pi

где ДЧ){ - угол сдвига фазы опорного

сигнала, вносимый управл е- мьгм фазовращателем 2, соответствующий i-му дискретному положению фазовращател  . Если сигналы на входах фазового

детектора 4 мен ютс  по законам

UQ А cos (2 +0t); Uj А cos (u)t + Ы),

где А - уровень амплитудного ограничени  усилителей-ограничителей 1 и 5;

иЗ- частота входных сигналовj tt - угол сдвига фаз, измер емый

фазовым детектором 4, то на выходе фазового детектора 4 имеетс  сигнал

К sind ,

1 , . . | , 2Q 25 JQ Q 5 0

с где К - коэффициент передачи фазового детектора 4.

Если допустима  погрешность измерени  угла сдвига фаз равна л d то динамический диапазон измерени  фазы устройством определ етс  по формуле . .

о

I , 3 Г 3 г-,

Т.е. .

Таким образом, в пределах этого диапазона изменени  угла сдвига фаз выходной сигнал фазового детектора

.с любой наперед заданной погреш- костью К4Ы пропорционален углу сдвига фаз о1 .

-rf

Так как выходной сигнал фазового Детектора 4 в устройстве . мен етс  от О до

и

мсхкс

то величине соответствует угол сдвига фаз ТГ/2, .нулю соответствует угол сдвига фаз , величине .и, соответствует угол .сдвига фаз, равный нулю. Тогда пороги срабатывани  порогового блока 6 и и Ug устанавливаютс  на границах линейного диапазона работы фазового детектора 4 с, по формуле

и

JpS. + к

и. -IJp - ,

а выходной сигнал фазо-вого детектора 4 об зательно попадет в амплитудный диапазон 5(фиг.З), границы которого определ ютс  уровн ми U и U, при этом выходной сигнал фазового детектора 4 будет пр мо пропорционален углу сдвига фаз Ы входных сигналов фазового детектора 4; дл  учета угла сдвига фаз, вносимого управл емым фазовращателем 2, в устройство дл  измерени  сдвига фаз введен блок 9 суммировани , который преобразует угол сдвига фаз, вносимый в опорный сигнал управл емым фазовращателем 2, в напр жение, амплитуда которого соответствует углу сдвига фаз управл емого фазовращател  2Лф ; в масштабе выходного сигнала фазового детектора 4 и

бых

Кс. . Это достигаетс 

тем, что каждый из п резистивных делителей И напр жени  подбираетс  таким образом, чтобы напр жение на его выходе соответствовало соответствующему углу сдвига фаз мого фазовращател  2, который одно- значно определ етс  цифровым кодом. на его управл ющих входах. В качестве управл емого фазовращател  2 используетс  дискретный фазовращатель на п положений.

Напр жение на выходе фазового детектора 4 равно

JBWX K.uv ,

где К - коэффициент пропорциональности ;

5

0

5

0

5

0

5

0

5

U с - угол сдвига фазы опорного сигнала, вносимый фазовращателем 2 и соответствующий 1-му дискретному положению фазовращател . На выходе- устройства по вл етс  сигнал

и 1(Ко1+ КдФ;) 1 КСЫ +ДМ) 1 К-1 .

где I - коэффициент усилени  операционного усилител  13; | - угол сдвига фаз между

входными сигналами устройства .

Период Т следовани  импульсов генератора 7 импульсов выбираетс  таким образом, чтобы Т t(., где -срлд врем , необходимое дл  срабатывани  реверсивного счетчика 8, управл емого фазовращателем 2, фазового детектора 4 и порогового блока 6 .

Дискретность установки фазы управл емым фазовращателем 2 выбираетс  равной величине линейного диапазона работы фазового детектора 4 и равна (.ЛГбй« , где дЫ- допустима  погрешность измерени  сдвига фаз.

Claims (2)

1. Формула изобр етени 

   1 .Устройство дл  измерени  сдвига фаз состо щее из. последовательно соединенных управл емого фазовращател , компенсационного фазовращател , фазового-: детектора и порогового элемента, к второму входу которого подключен генератор, а выходы порогового элемента соединены-соответственно со счетными входами реверсивного счетчика, отличающее с  тем, что, с целью повышени  точности измерени , в него введены два усилител -ограничител , входы- которых  вл ютс  входами устройства, блок суммировани , информационные которого объединены соответственно с входами управл емого фазовращател  и выходами реверсивного счетчика, а выход фазового детектора соединен с вторым входом блока суммировани ,выход которого  вл етс  выходом всего устройства.
2. 2. Устройство по П.1, о т ли - чающеес  тем, что блок, суммировани  состоит из аналогового мультиплексора, операционного усшштел , источника посто нного напр жени , последовательно соединенного с п делител ми напр жени , выход каждого из которых соединен с соответствующим входом аналогового мультиплексора , выход которого соединен с одним из входов операционного усили

   Фиг. г ,

   ко МП араторо S ft

   т-т,

   00

   фиг. 3

   тел , другой вход которого  вл етс  первым входом бло::а суммировани , а управл ющие входы аналогового мультиплексора  вл ютс  другими входами блока суммировани , причем выход операционного усилител   вл етс  выходом всего блока суммировани .

   :I