SU1472831A1 - Цифровой одноканальный инфранизкочастотный фазометр - Google Patents

Abstract

Изобретение может быть использовано в фазоизмерител х в диапазоне ± 90°. Цель изобретени  - повышение точности. Повышение точности достигаетс  введением в фазометр аналого-цифрового преобразовател  4, сдвигового регистра 3, четырех регистров 5-8, двух селекторов мультиплексоров 10 и 11, анализатора 12 знака, второго блока 14 делени , блока 2 управлени  и элемента ИЛИ 9, с помощью которых выполн етс  запоминание дискретных значений сигнала в моменты нулевых и максимальных значений входных сигналов с последующим вычислением значений фазовых сдвигов по полученным значени м с учетом знака. Фазометр содержит также аналоговый коммутатор 1, первый блок 13 делени , вычислитель 15 арктангенса, сумматор 16 и блок 17 регистрации. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

Description

1

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано при создании цифровой фазо- метрической аппаратуры в диапазоне ±90 градусов.

Цель изобретени  - повышение точности измерений.

На фиг, 1 приведена функциональна  схема устройства,- на фиг. 2 - временные диаграммы, по сн ющие прицип его работы.

Фазометр содержит аналоговый коммутатор 1, блок 2 управлени , сдвигающий регистр 3, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 4, регистры 5-8, элемент ИЛИ 9, селекторы-мультплексоры 10, 11, анализатор 12 знак блоки 13, 14 делени , вычислитель 1 арктангенса, сумматор 16, блок 17 регистрации.

Каждый из двух сигнальных входов аналогового коммутатора 1 объединен соответственно с первым и вторым входами блока 2 управлени  и соединен с соответствующими входными клеммами устройства. Первый выход блока 2 управлени  подключен к упрал ющему входу АЦП 4, сигнальный вхо которого соединен с выходом аналогового коммутатора 1. Информационный выход АЦП 4 подключен к объединенны между собой одноименными входами регистрам 5-8, а управл ющий выход соединен с входом сдвигающего регисра 3. Четыре выхода сдвигающего регистра 3 подключены к входам разрешени  записи соответственно регистров 5-8, третий и четвертый выходы сдвигающего регистра 3 соединены с входами элемента ИЛИ 9, выход которго соединен с третьим входом блока управлени . Информационные выходы регистров 5,6 и 7,8 подключены к дв

входам соответственно селекторов- мультиплексоров 10 и 11, управл ющие входы которых объединены с управл ющим входом аналогового коммутатора

1и соединены с вторым выходом блока

2управлени . Выходы селекторов-мультиплексоров 10, 11 подключены к входам анализатора 12 знака и блока 13 делени , причем на анализатор 12 знака заведены знаковые разр ды, а на блок 13 делени  - непосредственно коды чисел. Выход блока 13 делени  через вычислитель 15 арктангенса соединен с входом сумматора 16. Управл ющий записью вход сумматора 16

0

5

0

5

0

подключен к третьему выходу блока 2 управлени , а выход через блок 14 делени  соединен с входом блока 17 регистрации. Знаковые разр ды блока 17 регистрации подключены непосредственно к выходу анализатора 12 знака .

В состав блока 2 управлени  вход т счетный триггер 18 и RS-тригге- ры 19, 20, нуль-органы 21, 22, временные дискриминаторы 23, 24 максимумов , элементы ИЛИ 25, 26, элементы И 27, 28, формирователь 29 импульсов , элементы 30, 31 задержки, счетчик 32, кнопка 33 Пуск.

Дл  проведени  статистического усреднени  результатов измерений с передней панели прибора в блок 14 делени  и счетчик 32 вводитс  код, N, которьй дл  блока 14 делени   вл етс  делителем, а дл  счетчика 32 - коэффициентом пересчета.

Первый и второй входы блока 2 управлени  соответственно через нуль-орган 21, временной дискриминатор 23 максимумов и нуль-орган 22, временной дискриминатор 24 максимумов подключены к входам элемента ИЛИ 25. Выход нуль-органа 22 соединен с третьим входом элемента ИЛИ 25, а выход нуль-органа 21 подключен к первому входу элемента И 27. Второй вход элемента И 27 соединен с 5 выходом RS-триггера 20, а выход подключен к первому входу элемента ИЛИ 26 и S-входу RS-триггера 19. R-вход триггера 19 соединен с R-входом RS- триггера 20 и выходом счетчика 32, а выход подключен к входу элемента И 28. Другой вход элемента И 28 соединен с выходом элемента ИЛИ 25, а выход подключен к второму входу элемента ИЛИ 26. Выход элемента ИЛИ 26 соединен с первым выходом блока 2 управлени  и через счетный триггер 18 соединен с вторым выходом блока 2 управлени , третий вход которого подключен к входу элемента 30 задержки. Выход элемента 30 задержки соединен с входом счетчика 32 и третьим выходом блока 2 управлени . Кнопка 33 Пуск через формирователь 29 и элемент 31 задержки подключена к S-входу RS- триггера 20.

Фазометр работает следующим образом .

Перед проведением измерений на передней панели устанавливаетс  число

0

5

0

5

N проводимых измерений, которое определ ет коэффициент усреднени  в блок 14 делени  и количество циклов в счетчике 32.

При нажатии кнопки 33 Пуск в блоке 2 управлени  импульсом Сброс с выхода формировател  29 импульсов прибор приводитс  в исходное состо ние . При этом сдвигающий регистр 3, сумматор 16, счетчик 32 обнул ютс , а триггеры 18-20 перевод тс  в исходное состо ние.

Пусть на входы фазометра подаютс  синусоидальные напр жени 

U7 (t) U1m- sina t, U2(c) U1|nsin (tot +qO; где Ц. , UZm - амплитуды сигналов} ц - фазовый сдвиг между

ними.

На выходах нуль-органов 21, 22 формируютс  короткие импульсы в моменты переходов напр жений U7(t), U(t) через нулевые значени , а на выходах временных дискриминаторов 23, 24 максимумов - в моменты перехода напр жений через максимальные значени . Однако эти импульсы через элементы И 27, 28 не проход т, так как они закрыты нулевыми потенциала- ми триггеров 20, 19.

На фиг. 2 показаны временные моменты по влени  указанных импульсов, они обозначены t.,, t2, ..., tg. Причем дл  определённости прин то, что напр жение U1(t) опережает напр жени U(t), но отметим, что дл  работы устройства это не имеет значени .

Такое состо ние прибора от момента нажати  кнопки 33 Пуск сохра- н етс  до по влени  управл ющего воздействи  на выходе элемента 31 задержки , врем  задержки на котором выбираетс  достаточным дл  приведени  фазометра в исходное состо ние.

С по влением импульса на выходе элемента 31 задержки триггер 20 переключаетс  в единичное состо ние и открывает элемент И 27. Первый же , импульс с выхода нуль-органа 21 в моменты времени t, или t 5 (дл  определенности за начало отсчета примем момент времени t.,) проходит через элемент И 27 на S-вход триггера 19 и через элемент ИЛИ 26 на управл ющий вход АЦП 4 и счетный вход триггера 18. АЦП 4 запускаетс  и преобразует мгновенное значение напр жени  иг(г) момент времени г., 0, обозначим его

Q

5

0

5 0

0

в пропорциональный цифро5

0

5

U7(t) Ulr, вой код V.21 -Ujmsin. В момент окончани  преобразовани  на управл ющем выходе АЦП 4 формируетс  импульс, поступающий в сдвигающий регистр 3, и на его управл ющем выходе, соединенном с входом разрешени  записи регистра 5, по вл етс  сигнал, разрешающий запись. Код мгновенного значени  U21 с информационных выходов АЦП 4 записываетс  в регистр 5. По спаду сигнала с элемента ИЛИ 26 триггер 18 опрокидываетс  в единичное состо ние и переключает аналоговый коммутатор 1 и селекторы-мультиплексоры 10, 11. При этом через аналоговый коммутатор 1 на сигнальный вход АЦП 4 подаетс  напр жение U,(t), а на выходы селекторов-мультиплексоров 10, 11 поступает информаци  с регистров 5 и 7, котора  сохран етс  на этих выходах до следующего переключени  счетного триггера 18,

В этом такте на выходах анализатора 12 знака, блока 13 делени  и вычислител  15 арктангенса образуетс  ложна  информаци , но так как импульс записи кода результата в сумматор 16 от блока 2 управлени  отсутствует , то эта информаци  в приборе тер етс ,

Очередным импульсом, переключающим триггер 18 и запускающим АЦП 4 на преобразование, будет импульс с выхода нуль-органа 22, который пройдет по цепи: элемент ИЛИ 25, элемент И 28, элемент ИЛИ 26. С поступлением этого импульса АЦП 4 преобразует мгновенное значение напр жени  Uf(t) в момент времени с г - if /co(-u) t г if), обозначим его U/t. Url, в пропорциональный цифровой код Uf2 Ulm-sinif. Импульс Конец преобразовани  с управл ющего выхода АЦП 4 поступает на сдвигающий регистр 3, и на его втором выходе по вл етс  сигнал разрешени  записи в регистр 6, в который записываетс  код U. Триггер 18, ас ним аналоговый коммутатор 1 и селекторы-мультиплексоры 10, 11 возвращаютс  в исходное состо ние, при котором на сигнальный вход АЦП 4 снова подаетс  напр жение U2(t), а на выходы селекторов-мультиплексоров 10, 11 поступает информаци  с регистров 6 и 8. Результат вычислений в этом так- те, как и в предыдущем,  вл етс  ложным , так как в регистре 8 отсутствует код второго числа, поэтому он тож тер етс .

В дальнейшем на запуск АЦП 4 и на триггер 18 поочередно поступают импульсы с временного дискриминатора 23 максимумов (u)t3 ), временного дискриминатора 24 максимумов (ыс f- и4/2 + if)/ нуль-органа 21 (wty if ) , нуль-органа 22 (wtg ff+ i/) и снова с временных дискриминаторов 23, 24 максимумов 7 3/2 V, out Ј - 3/2 + Ч1). Каждым из этих импульсов производитс  запуск АЦП 4, переключение аналогового коммутатора 1 и селекторов-мультиплексоров 10, 11 с помощью триггеров 18. На выходе АЦП 4 образуютс  коды мгновенных значений напр жений U2(t) и ) в указанных точках отсчета, которые записываютс  в соответствующие регистры пам ти. Значени  кодов и номера регистров пам ти, в которых они запоминаютс , приведены в таб- лице.

Из таблицы видно, что отсчеты №№ 5-8 записываютс  в те же регистры пам ти, что и первые четыре отсчета. Дл  этого сдвигающий регистр 3 имеет объем, равный четырем. Поэтому с поступлением 5-го импульса на его вход он принимает состо ние, соответствующее записи 1, и сигнал разрешени  формируетс  на первом выходе, т.е. на входе разрешени  записи регистра 5. И аналогично дл  6-го, 7-го и 8-г отсчетов.

В отличие от первого и второго тактов в третьем и четвертом тактах, соответствующих записи кодов мгновенных значений в регистры 7,8, на выходе элемента ИЛИ 9 образуетс  управл ющий импульс, который поступает затем в блок 2 управлени . Прохо- д  через элемент 30 задержки в блоке 2 управлени , этот импульс, во-первых , стробирует запись информации в сумматор 16 и,во-вторых, переводит счетчик 32 в следующее состо ние. j Дл  исключени  ложных результатов в процессе измерени  в фазометре стро бируетс  запись информации в сумматор 16. При этом запись результата проводитс , во-первых, после запоминани  кодов делител  в регистрах 7 или 8 (что соответствует моментам времени t3, с4и t7, tg) и, во-вторых , с некоторой задержкой, необходи

мой дл  выполнени  вычислительных операций. Временна  задержка на элементе 30 задержки формируетс  достаточной дл  передачи данных от регистров 5-8 на входы анализатора 12 знака , блока 13 делени  и проведени  вычислений в блоке 13 делени , вычислителе 15 арктангенса и сумматоре 16.

Непосредственное вычисление фазового сдвига в устройстве производитс  следующим образом.

Коды мгновенных значений напр жений U,(с) и U2(t) перенос тс  в блок 13 делени , в котором проводитс  их деление соответственно U2)/UZ3; U /U27; ,j. На информационном выходе блока 13 делени  образуетс  код результата

X

- arctgtf,

U2I, U72 4s Vu

где X - делемое, X

Y -.делитель, Y - U23, Un, U.U С выхода блока 13 делени  код частного (X/Y) подаетс  на вычислитель 15 арктангенса, в котором определ етс  значение фазового сдвига if

X

arctg -, которое затем накапливаетс  и запоминаетс  в сумматоре 16.

Каждое вычисление фазового сдвига сопровождаетс  изменением состо ни  счетчика 32 на единицу. После того, как будет проведено N измерений , на выходе счетчика 32 образуетс  управл ющее воздействие, по которому триггеры 19, 20 опрокидываютс  в нулевое состо ние. При этом элементы И 27, 28 запираютс , и фазометр переводитс  в режим Останов, Суммарный код N измерений фазового jсдвига, который зафиксирован в сумматоре 16, усредн етс  в блоке 14 делени  и индицируетс  в блоке 17 регистрации . При этом по знаку фазового сдвига последнего результата делени  суд т о знаке результата измерени . Дл  этого знаковый разр д с анализатора 12 знака заведен на второй вход блока 17 регистрации. Так, например, при нечетном количестве измерений знак - результата делени  говорит о том, что сигнал U-j(t) отстает от сигнала U.,(t), если знак +, то сигнал Ui(t) опережает сигнал U,(t).J

Работа фазометра при однократных измерени х отличаетс  лишь тем, что при первом же вычислении фазового сдвига он переводитс  в режим Останов , а результат на блоке 17 регистрации поступает через блок 14 делени , коэффициент делени  которого равен единице.

Таким образом, в сумматоре 16 получаетс  код модул  измер емого фазового сдвига (который при необходимости усредн етс  в блоке 14 делени ) и затем индицируетс  в блоке 17 регистрации, а его знак отсчитываетс  по знаковому разр ду с анализатора 12 знака.

В цифровом одноканальном фазометре операции нормировани , суммировани  и вычитани , а также аналогового запоминани  мгновенных значений сигналов исключены. Следовательно,

исключены и соответствующие составл ющие погрешностей. Кроме того, операции делени  подвергаютс  мгновенные значени  одного и того же сигнала, прошедшие через один и тот же измерительный канал, чем в полной мере используютс  преимущества логометричес кого принципа измерени , а также уст ран ютс  погрешности делени  и вычислени  арктангенса, так как в цифровой форме они могут быть выполнены с любой, наперед заданной точностью, при этом за счет статистической обработки может быть уменьшена в VlT раз случайна  погрешность результата измерени .

Claims (2)

1. Цифровой одноканальный инфра- низкочастотный фазометр, содержащий аналоговый коммутатор, последовательно соединенные первый блок делени  и вычислитель арктангенса, а также сумматор и блок регистрации, отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности, в него введены аналого-цифровой преобразователь , сдвиговый регистр, четыре регистра , два селектора-мультиплексора , анализатор знака, второй блок делени , блок управлени  и элемент ИЛИ, при этом два входа блока управлени  соединены с входами аналогового коммутатора, а первый выход подключен к управл ющему входу аналого- цифрового преобразовател , сигналь0

о

0

5

ный вход которого соединен с выходом аналогового коммутатора, информационный выход подключен к объединенным между собой одноименным входам четырех регистров, а управл ющий выход соединен с входом сдвигового регистра, четыре выхода которого подключены к входам разрешени  записи соответствующих регистров, причем третий и четвертый выходы сдвигового регистра соединены с входами элемента ИЛИ, выход которого соединен с третьим входом блока управле- 5 ни , а информационные выходы первого и второго, третьего и четвертого регистров подключены к двум входам соответственно первого и второго селекторов-мультиплексоров , управл ющие входы которых объединены с управл ющим входом аналогового коммутатора и соединены с вторым выходом блока управлени , выходы селекторов- мультиплексоров подключены к попарно объединенным двум входам анализатора знака и первого блока делени , вход сумматора соединен с выходом вычислител  арктангенса, управл ющий вход сумматора соединен с третьим выходом блока управлени , а выход сумматора через второй блок делени  подключен к входу блока регистра- .ции, второй вход которого соединен с выходом анализатора знака.

2. Фазометр по п. 1, отличающийс  тем, что блок управлени  содержит счетный триггер и два RS-триггера, счетчик, формирователь импульсов, два нуль-органа , два временных дискриминатора максимумов , два элемента ИЛИ, два элемента И, два элемента задержки и кнопку Пуск, при этом первый и второй входы блока управлени  соответственно через последовательно соединенные первый нуль-орган и первый .временной дискриминатор максимумов, второй нуль-орган и второй дискриминатор максимумов подключены к первому и второму входам первого элемента ИЛИ, выход второго нуль-органа соединен с третьим входом первого элемента ИЛИ, выход первого нуль- органа подключен к одному входу первого элемента И, второй вход которого соединен с выходом второго RS- триггера, а выход подключен к первому входу второго элемента ИЛИ входу первого RS-триггера, вход ко5

0

5

0

5

торого соединен с R-входом второго RS-триггера и выходом счетчика, а выход подключен к одному входу вто- рого элемента И, другой вход которого соединен с выходом первого элемента ИЛИ, а выход подключен к второму входу второго элемента ИЛИ, выход которого соединен с первым выходом блока управлени  и через счетный

триггер - с вторым выходом блока управлени , третий вход которого через первый.элемент задержки подключен к входу счетчика и третьему выходу блока управлени , а кнопка Пуск через последовательно соединенные формирователь импульсов и второй элемент задержки соединена с Sвходом второго RS-триггера.

1 2 3

О

wti LfUfJ U1(ta) H/ftsin4

Wt3 2

tt/0

#

U2f Uz(t) -U2msinV

(t; UZnFOS

5 6 7