SU756310A1 - Цифровой фазометр 1 - Google Patents

Description

Изобретение относится к цифровой измерительной технике. Фазометр может быть использован для измерения разности фаз между опор- 5 ным и принимаемым квазигармоническим колебаниями.

Известно устройство, предназначенное для оптимальной оценки фазы квазигармонического сигнала относительно опорного, содержащее два квадратурных канала·, каждый из которых содержит последовательно соединенные блок умножения на опорный сигнал, интегратор, причем выходы- ..

интеграторов обоих каналов подключены к входам схемы деления и к соответствующим входам блоков оценки знака своего канала, выходы которых подключены к входам блока умножения, „ выход блока умножения соединен с первым входом блока вычитания, второй вход которого соединен с выходом блока оценки знака одного из каналов , выход блока вычитания через 25

блок умножения на постоянный коэффициент с инверсией и блок умножения на число Τι подключен к первому . входу сумматора, второй вход которого через блок вычисления опс!^ подключен

2

к выходу схемы деления,а выход сумматора является выходом устройства [Г*.

К недостаткам данного устройства следует отнести большие затраты оборудования, а также трудности вычисления разности фаз сигнала при ее значениях, близких или равных +^Известен также цифровой фазовый дискриминатор, содержащий последовательно соединенные умножитель частоты, подключенный входом к шине вход ных сигналов, первый нуль-орган и первый формирователь, выход которого подключен к входу счетчика и устройства задержки, второй нуль-орган, соединенный входом с шиной входных сигналов, а выходом через второй формирователь с первым входом схемы И, второй вход которой соединен с выходом устройства задержки, а ее выход -подключен к первым входам схем совпадений, вторые входы которых соединены с соответствующими выходами счетчика. Кроме того, в данном дискриминаторе в неявном виде присутствует устройство синхронизации, которое управляет его работой, а также имеется блок усреднения, кото3

756310

4

рый состоит из сумматора-вычитателя,

соединенного с выходами схем И и через схемы И с блоком деления. Известно также, что для формирования отсчетов мгновенных значений фазы не-...

обходимо наличие фазовращателя на^< нуль-органов и формирователей, которые используются при построении цифровых фазометров [2] .

Данный фазовый дискриминатор позволяет измерить разность фаз между опорным и входным сигналами и выдает информацию в цифровом коде с одинаковой точностью независимо от измеряемой величины. Однако в случае непосредственного усреднения на . интервале'наблюдения отсчетов разности фаз квазигармонического и опорного сигналов возможна грубая ошибка, возникающая при флюктуациях измеряемой величины вокруг среднего значения, близкого или равного 0 (2). Это связано с тем, что в данном дискриминаторе не учитывается цикличность фазы.

Целью изобретения является повышение точности измерения фазы при флюктуациях входного квазигармонического сигнала относительно опорного.

Цель достигается тем, что в цифровой фаз-ометр, содержащий первый нуль-орган, соединенный входом. с источником входных сигналов и через фазовращатель с входом второго нуль-органа, причем выход первого нуль-органа соединен через первый формирователь с первым входом первого элемента И, выход которого подключен к первым входам вторых и третьих элементов И, соединенных вторыми входами с выходами счетчика, а их выходы соединены с соответствующими входами сумматора-вычитателя, выходы которого через четвертые элементы И соединены с входами делителя, при этом установочные входы счетчика, сумматора-вычитателя и делителя объединены и подключены к первому выходу синхронизатора, который вторым выходом соединен с вторыми входами четвертых элементов И, а его третий выход подключен через третий нуль-орган к входу второго фор мирователя и соединен через умножитель частоты, четвертый нуль-орган и третий формирователь с входом счетчика и входом первого элемента задержки, выход которого подключен к второму входу первого элемента И, введены пять дополнительных элементов И, инвертор, два триггера, два элемента ИЛИ, два элемента задержки И триггер со счетным входом. Причем первые входы первого и второго дополнительных элементов И объединены и подключены к выходу второго фор;мирОвателя, их вторые входы соединены соответственно с выходами первого и‘второго нуль-органов, при этом выход первого дополнительного элемента И соединен непосредственно и через инвертор с первыми входами дополнительных третьего и четвертого элементов И, вторые входы которых объединены и подключены к выходу второго дополнительного элемента И,выходы третьего и четвертого дополнительных элементов И подсоединены к первым входам соответствующих триггеров, выходы которых подклю'чены к входам дополнительного пятого элемента И и через второй и третий элементы задержки и элементы ИЛИ к вторым входам указанных триггеров, причем вторые входы элементов ИЛИ объединены и подключены к установочному входу триггера со счетным входом, который соединен этим входом с первым выходом синхронизатора, счетный вход триггера подключен к выходу пятого дополнительно элемента И, а его выходы соединены с третьими выходами соответственно вторых и третьих элементов И.

На чертеже представлена структурная схема цифрового фазометра.

Цифровой фазометр содержит нульорган 1, соединенный входом с шиной входных сигналов и через фазовращатель на 2с входом нуль-органа 3. Выход нуц^-органа 1 соединен через формирователь 4 с первым входом элемента И 5. Выход элемента И 5 подключен к первым входам элементов И 6 и 7, вторые входы которых соединены соответственно с прямыми и инверсными выходами счетчика 8, а их выходы соединены с соответствующими входами сумматоравычитателя 9. Выходы сумматора-вычитателя через элементу И 10 соединены с входами блока деления 11, выходы которого являются выходами фазометра. Установочные входы счетчика 8, сумматора-вычитателя 9 и блока деления 11 объединены и подключены к первому выходу синхронизатора 12,который вторым выходом соединен с вторыми входами элементов И 10, а его.третий' выход подключен через нуль-орган 13 к входу формирователя 14 и соединен через умножитель частоты 15, нуль-орган 16 и формирователь 17 с входом счетчика 8 и входом элег мента задержки 18, выход которого подключен к второму входу элемента И 5.^Выход формирователя 14 подключен к первым входам элементов И 19 и 20, причем второй вход элемента И 19 подключен к выходу нуль-органа 3, а второй вход элемента И 20 - к выходу нуль-органа 1. Выход элемента И 19 соединен с первым входом элемента И 21 и через инвертор 22 с первым входом элемента И 23. Вторые входы элементов И 21 и 23 объединены и соединены с выходом элемента И 20.

756310

5

Выходы элементов И 21 и 23 соединены с первыми входами соответственно триггеров 24 и 25, выходы которых соединены с входами элемента И 26. Выход триггера 24 соединен через элемент задержки 27 и элемент ИЛИ 28 с вторым входом триггера 25. Выход триггера 25 соединен через элемент задержки 29 и элемент ИЛИ 30 с вторым входом триггера 24. Вторые входы элементов ИЛИ 28 и 30 объединены и соединены с установочным входом триггера 31 со счетным входом, который этим входом соединен с первым выходом синхронизатора 12. Вход триггера со счетным входом соединен с выходом элемента И 26, а выходы триггера со счетным входом соединены с третьими входами соответственно элементов И б и 7.

Работает цифровой фазометр следующим образом.

В начальный момент времени 1=0 по первому выходу синхронизатора 12 подается сигнал установки в нулевое состояние счетчика 8, сумматора-вычитателя 9, делителя 11. Этот сигнал также поступает на установочный вход триггера 31 со счетным входом и устанавливает его в такое состояние, при котором на входах элементов И 6 находится потенциал, соответствующий единице, а на входах элементов И 7 - потенциал, соответствующий нулю. Этот сигнал установки . в нулевое состояние подается также через элементы ИЛИ 28 и 30 на входы триггеров 24 и 25, устанавливая их таким образом, чтобы на их выходах, соединенных элементов И 26, установились потенциалы, соответствующие нулю.

После установки схемы в рабочее состояние с третьего выхода синхронизатора 12 на входы нуль-органа 13 и умножителя частоты 15 подается опорный сигнал известной частоты·, начальная фаза которого привязана к сигналу установки. Сигнал опорной частоты умножается в N раз в умножителе частоты 15 и подается на нуль орган 16, который фиксирует моменты перехода через ноль умноженного опорного сигнала, например, с положительной производной. С Выхода нуль-орга1на 13 преобразованный сигнал поступает на вход формирователя 14, вырабатывающего сигнал, соответствующий моменту прохождения опорного сигнала через ноль с положительной производной. С выхода нуль-органа 16 преобразованные сигналы подаются на вход формирователя 17, с выхода которого сформированные импульсы, соответ ствующие моментам перехода через ноль умноженного опорного сигнала, подаются на вход счетчика 8, коэффициент пересчета которого М ·. Таким образом, момент перехода через

20

6

ноль с положительной производной

опорного сигнала соответствует записи в счетчик 8 во все разряды

нуля.

Одновременно по входной шине подается сигнал, частота которого 5 равна частоте опорного сигнала, а сдвиг фазы относительно опорного неизвестен. Этот входной сигнал поступает на вход нуль-органа 1 и через фазовращатель 2 на вход нуль10 органа 3. С выхода нуль-органа 1 преобразованный в потенциал входной сигнал поступает на вход элемента И 20, ас выхода нуль-органа 3 сдвину„ “ΐΐ

тый на и преобразованный в потенциал входной- сигнал поступает на вход элемента И 19. На вторые входы этих элементов поступает сигнал, соответствующий моменту прохождения опорного сигнала через ноль с положительной производной, с выхода формирователя 14.На выходах элементов И 19 и 20 выделяется код фазы коле- , баний входного сигнала относительно опорного. В зависимости от квадранта, 25 в котором оказывается фаза входного сигнала относительно опорного, возможны четыре комбинации на выходах элементов И 19 и 20 соответственно:

30. для 0 код 11, для код 10,

. для И код 00, для - 2ίΐ код 01

В том случае, когда значения отсчетов фазы за время наблюдения не

выходят за пределы второго и третье35 го квадрантов, на входах элементов И 21 и 23 всегда имеются комбинации нулей и единиц, следовательно, на их выходах имеются нули, триггеры 24 и 25 находятся в исходном состоянии, 40 триггер 31 со счетным входом также находится в исходном состоянии. В этом случае необразованный в потенциал входной сигнал с выхода нульоргана 1 поступает на формирователь 4 45 который выдает сигнал, соответствующий моменту времени перехода входного сигнала с положительной производной через, ноль. Этот сигнал поступает на вход элемента И 5, на второй вход которого подаются с выхода элемента задержки 18, время задержки которого равно времени переходного процесса в счетчике 8, сигналы умноженного опорного напряжения.

В момент совпадения на входах эле³³ ментов И 5 этих двух сигналов с его выхода поступает разрешающий сигнал, который подается на входы элементов И 6. Поскольку на двух входах элементов И 6 в этот момент времени на60 ходятся разрешающие потенциалы, соответствующие единице, а на аналогичных входах элементов И 7 находятся потенциалы., соответствующие нулю и единице, то соответствующие потен65 циалы с прямых выходов счетчика 8

50

7

756310

8

подаются на суммирующие входы сумматора-вычитателя 9, и полученный код фазы записывается в этом блоке. Далее работа фазометра в этом режиме повторяется и происходит накопление отсчетов фазы.

В момент времени 1 , равный времени наблюдения Т ц и целому числу периодов опорного сигнала, с выхода синхронизатора 12 на входы элементов И 10 поступает разрешающий; потенциал и накопленные отсчеты фазы подаются на входы блока деления 11. Блок деления производит деление подаваемого накопленного кода фазы на число, равное количеству периодов опорного сигнала на интервале наблюдения Т_ц . На выходе блока деления выделяется код числа, равный среднему значению фазы на интервале наблюдения. Далее работа фазометра повторяется.

В том случае, когда значения отсчетов фазы за время наблюдения Т_и попадают в первый или четвертый квадрант и флюктуируют таким образом, что нет перескоков фазы из первого квадранта в четвертый и наоборот, фазометр работает в режиме, аналогичном описанному ранее. Отличие заключается только в том, что с выхода элемента И 21 или 23 поступает сигнал, переводящий триг гер 24 или соответственно триггер 25 в состояние, при котором на их выходах появляется потенциал, соответствующий единице. Он подается на один из входов элемента И 26, при этом на выход элемента И 26 этот сигнал не проходит и, следовательно, состояние триггера 31 со счетным входом не изменяется. Когда фаза принимаемого колебания попадает в первый или четвертый квадрант и ее флюктуации происходят таким образом, что наблюдаются перескоки из первого квадранта в четвертый и наоборот, фазометр работает следующим образом.

Пусть в начальный момент времени •Ь а 0 синхронизатор 11 устанавливает счетчик 8, сумматор-вычитатель 9, блок деления 11, а также триггеры 24, 25 и триггер 31 со счетным входом в описанное исходное состояние, фаза входного сигнала относительно опорного находится в первом квадранте. После установки схемы в рабочее состояние с третьего выхода синхронизатора на вход нуль-органа 13 подается опорный сигнал, из которого при помощи формирователя 14 формируются сигналы, соответствующие, как указывалось ранее, моментам прохождения через ноль опорного сигнала с положительной производной. В рассматриваемом случае на выходах элементов И 19 и 20 выделяются сигналы, соответствующие единице (т. е. выделяется код 11), которые поступают

60

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

65

прямо на входы элемента И 21. На входах элемента И 23 будет код 01, поскольку единица с выхода элемента И 19 поступает через инвертор 22. С выхода элемента И 21 прошедший через него сигнал устанавливает триггер 24 в состояние, при котором на его выходе выделяется потенциал, соответствующий единице. Этот потенциал через элемент задержки 27 с временем задержки, необходимым для формирования сигнала требуемой длительности на перевод триггера 31 со счетным входом в другое состояние, и элемент ИЛИ 28 поступает на второй вход триггера 25 и подтверждает состояние, в котором последний находится. Таким образом, при попадании в начальный момент фазы входного сигнала относительно опорного в первый квадрант на одном из входов элемента И 26 находится потенциал, соответствующий единице. При этом работа схемы осуществляется так, как описывалось ранее.

Пусть фаза принятого колебания изменяется так, что к моменту времени

6 , равного периоду опорного сигнала , она оказывается в четвертом квадранте, то есть происходит перескок фазы из первого квадранта в четвертый. При этом на выходе элемента Й 19 имеется ноль, а на выходе элемента И 20 - единица (код 01) в тот момент времени, когда опорное напряжение проходит через ноль с положительной производной. На входах элемента И 23 имеется код 11, а на входах элемента И 21 - код 01. Таким образом, единица с выхода элемента И 23 подается на вход триггера 25 и переводит его в такое состояние, при котором на его выходе появляется потенциал, соответствующий единице. Так как этот потенциал поступает через элемент ИЛИ 30 на вход триггера 24 и переводит его в состояние ноль с задержкой, обеспечиваемой устройством задержки 29 на время, необходимое для формирования сигнала требуемой длительности, на входах элемента И 26 находятся потенциалы, соответствующие единице. Выделившийся на выходе элемента И 26 сигнал переводит триггер 31 со Учетным входом в. новое состояние. При этом на входах элементов И 7 устанавливается высокий потенциал, а на входах элементов И 6 - низкий. В тот момент времени, когда произойдет совпадение сигналов на входах элемента И 5, код фазы с инверсных выходов счетчика 8 через элементы И 7 поступает на соответствующие входы сумматора-вычитателя 9. К полученному числу в сумматоре-вычитателе добавляется единица в младший разряд, а получившийся результат вычитается из числа, записанного в этом блоке ранее.

9

756310

>0

Когда фаза сигнала в следующем испытании перескакивает из четвертого квадранта в первый, на выходах элементов И 19 и 20 выделяется код 11, который через элемент И 21 подается на вход триггера 24 и переводит его в состояние единица, Поскольку триг- 5 гер 25 находится в состоянии единица, на входе элемента И 20 устанавливается код 11 на время, определяемое величиной задержки, обеспечиваемой элементом задержки 27. На выходе 10 элемента И 20 появляется сигнал, переводящий триггер 31 со счетным входом в предыдущее состояние и работа фазометра повторяется. При этом код фазы, получившийся в счетчике 8, сни- . 15 мается с прямых выходов и записывается через соответствующие входы сумматора-вычитателя 9, где прибавляется к находящемуся там числу. Далее работа схемы повторяется. 20

Когда фазометр приведен в исходное состояние, в момент времени 1=0 фаза оказывается з четвертом квадранте, триггер 25 переводится в единичное состояние. При перескоке фз-^^ зы из четвертого квадранта в первый· в следующем испытании срабатывает триггер 31 со счетным входом.и начинается съем информации с инверсных выходов счетчика 8. В случае обратного перехода, то есть перехода из первого квадранта в четвертый, срабатывает триггер со счетным входом и информация снимается с прямых выходов счетчика 8. Все остальные блоки и узлы схемы работают аналогично 35 описанному ранее.

Описанный фазометр позволяет исключить грубые ошибки измерения усредненного значения фазы квазигармонического сигнала по сравнению с устрой- 40 ством, принятым в качестве прототипа, Допустим, что счетчик как в прототипе, так и в предложенном фазометре имеет одинаковое число состояний N - 16, что соответствует 2^ . 45

Допустим, что проведено по четыре испытания в каждом устройстве, причем фаза флюктуирует относительно 0 ,

(2*н )'. Пусть истинные значения фазы..,

* 'Г? 5^ г-п

относительно 0 равны + д- + θ- ³⁰

- -§ . В этом случае коды чисел, которые усредняются в прототипе, для этих 'значений фазы следующие + 0001, +1111, +0001,+1111. Сумма этих чисел 100000.55 При делении на четыре (на число испытаний) получают код фазы 1000, что соответствуетΐ . Коды чисел, которые усредняются в предложенном фазометре, соответственно будут (со знаками и учетом добавления единицы в сум-, маторе-вычитателе 9) +0001, -0001, +0001, -0001. Сумма этих чисел 000000. При делении на четыре получают код, равный 0000, что соответствует ис- _<

тинному значению усредненной Фазы.

Таким образом, фазометр позволяет

исключить грубые ошибки измерения

усредненного значения фазы при ее

флюктуациях в пределах + — относительно среднего значения, расположенного в секторе ±у. Это указывает на его высокую технико-экономическую эффективность.

Claims (1)

1. Формула изобретения

   Цифровой' фазометр, содержащий первый нуль-орган, соединенный по входу с источником входных сигналов и через фазовращатель с входом второго куль-органа, при этом выход первого нуль-органа соединен через первый формирователь с первым входом первого элемента И, выход которого подключен к первым входам вторых и третьих элементов И, соединенных вторыми входами с выходами счетчика, а их выходы соединены с соответствующими входами сумматора-вычитателя, выходы которого через четвертые элементы И соединены с входами делителя, причем установочные входы счетчика, сумматора-вычитателя и делителя объединены и подключены к первому выходу синхронизатора, который вторым выходом соединен с вторыми входами четвертых элементов И, а его третий выход подключен через третий нульооган к входу второго формирователя и соединен через умножитель частоты, четвертый нуль-орган и третий формирователь с входом счетчика и входом первого элемента задержки, выход которого подключен к второму входу первого элемента И, от л н ч а ющ и йся тем, что, с целью повышения. точности измерения фаз при флюктуациях входного квазигармонкческого сигнала относительно опорного, в него введены пять дополнительных элементов И, инвертор, два триггера, два элемента ИЛИ, два элемента задержки и треггер со счетным входом, причем первые входы первого и второго дополнительных элементов К объединены и подключены к выходу второго формирователя, их вторые входы соединены с выходами первого и второго нуль-органов, при этом выход, первого дополнительного элемента К соединен непосредственно и через инвертор с первыми входами дополнительных третьего и четвертого элементов И, вторые входы которых объединены и подключены к выходу второго дополнительного элемента И, выходы третьего и четвертого дополнительных элементов И подсоединены к первым входам соответствующих триггеров, выходы которых подключены к входам дополнительного пятого элемента И и через второй и третий элементы задержки и элементы ИЛИ к вторым входам указанных триггеров,

   11

   756310

   12

   причем вторые входы элементов ИЛИ объединены и подключены к установочному входу триггера со счетным входом, который соединен этим входом с первым выходом синхронизатора, счетный вход триггера подключен к выходу пятого дополнительного элемента И, 5 а его выходы соединены с третьими входами соответственно вторых и третьих элементов И.