SU991323A2

SU991323A2 - Full-wave digital phase meter having constant measuring time

Info

Publication number: SU991323A2
Application number: SU813262315A
Authority: SU
Inventors: Олег Георгиевич Сливинский
Original assignee: Институт Физики Им.Л.В.Киренского
Priority date: 1981-03-20
Filing date: 1981-03-20
Publication date: 1983-01-23

Description

Изобретение относится к радиоизмерительной технике,в частности к фазовым измерениям.The invention relates to a radio engineering, in particular to phase measurements.

По основному авт. св. № 894596 йзвестен двухполупериодный цифровой фазометр с постоянным измерительным временем, содержащий усилитель-ограничитель , формирователи импульсов переходов через нуль, управляемые триггеры, синхронизированные генераторы пилообразного напряжения, компараторы, формирователи стробоскопических импульсов,строб-каскады, интеграторы, усилители постоянного тока, блок управления, элементы совпадения, элемент ИЛИ, счетчик импульсов; первый и второй формирователи последовательностей счетных импульсов со сдвигом 180°между ними, элемент совпадения, задающий генератор, делитель частоты и триггер [1].According to the main author. St. No. 894596, a half-wave digital phase meter with a constant measuring time is known, which contains a limiter amplifier, zero-crossing pulse shapers, controlled triggers, synchronized sawtooth voltage generators, comparators, stroboscopic pulse shapers, strobe stages, integrators, DC amplifiers, control unit, elements matches, OR element, pulse counter; the first and second shapers of sequences of counting pulses with a shift of 180 ° between them, a coincidence element, a master oscillator, a frequency divider and a trigger [1].

Недостатком этого двухполупериоДного цифрового фазометра является значительная погрешность измерения сдвига фаз при уменьшении амплитуды входного сигнала, обусловленная, конечным коэффициентом усиления усилителя постоянного тока.The disadvantage of this half-wave digital phase meter is the significant error in measuring the phase shift with a decrease in the amplitude of the input signal due to the finite gain of the DC amplifier.

Цель изобретения - повышение точности измерения сдвига фаз за счет уменьшения погрешности измерения, обусловленной конечным коэффициентом усиления усилителя постоянного тока.The purpose of the invention is to improve the accuracy of the measurement of phase shift by reducing the measurement error due to the final gain of the DC amplifier.

Поставленная цель достигается тем, что в двухполупериодный. цифровой фазометр с постоянным измерительным временем, содержащий усилитель-ограничитель, вход которого соединен с выходом опорного напряжения первой входной клеммой,а выходы - через первый и второй формирователи импульсов с первыми входами первого и второго управляемых триггеров,первый и второй элементы И, выходы которых соединены •5 с входами элемента ИЛИ, выход которого соединен с входом счетчика импульсов, третий элемент И, выход которого соединен через первый и втброй __ формирователи счетных импульсов с ^2υ первыми входами первого и второго элементов И и через делитель частоты - с входом триггера, выход которого соединен первым входом третьего элемента И, генератор, выход которо25 го соединен с вторым входом третьего элемента И, а выходы первого и второго управляемых триггеров соединены с вторыми входами первого и второго элементов И, третий и четвертый фор30 мирователи импульсов, пиичем третий формирователь импульсов состоит из последовательно соединенных стробкаскада, интегратора, инвертирующего усилителя постоянного тока и компаратора, формирователя строб-импульсов, синхронизированного генератора 5 пилообразного напряжения и блока управления, первый вход формирователя строб-импульсов соединен ’ с выходом компаратора и с первым входом блока управления, а выход - с первым вхо- 10 цом строб-каскада и с вторым входом первого управляемого триггера, выход синхронизированного генератора пилообразного напряжения соединен с вторым входом компаратора, а вход - с. {5 выходом первого формирователя импульсов и с вторым входом блока управления, второй,выход которого соединен с вторым входом формирователя стробимпульсов, а первый - с вторым вхо- 2Q дом инвертирующего усилителя постоянного тока, а четвертый формирователь импульсов состоит из формирователя строб-импульсов, выход которого через последовательно соединенные стробу каскад, интегратор и неинвертирующий усилитель постоянного тока соединен с' первым входом компаратора, второй вход которого соединен с выходом синхронизированного генератора пилообразного напряжения, а выход - с входом формирователя строб-импульсов, выход которого соединен также с вторым входом второго управляемого триггера, причем вход синхронизированного генератора пилообразного' напряже ния соединен с вторым входом, первого управляемого триггера, введен дополнительный усилитель-ограничитель, выг ход которого соединен с вторыми входами 'строб-каскадов третьего и чет- 40 вертого формирователей, а вход - с второй входной клеммой устройства.The goal is achieved in that in a half-wave period. a digital phase meter with a constant measuring time, comprising an amplifier-limiter, the input of which is connected to the output of the reference voltage by the first input terminal, and the outputs through the first and second pulse shapers with the first inputs of the first and second controlled triggers, the first and second elements I, the outputs of which are connected • 5 to the inputs of OR gate whose output is connected to the input of the pulse counter, the third aND gate, whose output is connected via a first and vtbroy __ conditioners count pulses with the first inputs of the first ^2υ the second element And through the frequency divider - with the input of the trigger, the output of which is connected to the first input of the third element And, the generator, the output of which is connected to the second input of the third element And, and the outputs of the first and second controlled triggers are connected to the second inputs of the first and second elements And , the third and fourth pulse generators, and the third pulse generator consists of a series-connected strobe stage, an integrator, an inverting DC amplifier and a comparator, a strobe-pulse generator x, a synchronized sawtooth voltage generator 5 and a control unit, the first input of the strobe generator is connected to the output of the comparator and to the first input of the control unit, and the output to the first input of the strobe cascade and to the second input of the first controllable trigger, output synchronized sawtooth generator connected to the second input of the comparator, and the input with. {5 by the output of the first pulse shaper and with the second input of the control unit, the second, the output of which is connected to the second input of the strobe pulse shaper, and the first to the second input of the inverting DC amplifier, and the fourth pulse shaper consists of a strobe shaper, output which through a series-connected cascade to the gate, the integrator and non-inverting DC amplifier is connected to the first input of the comparator, the second input of which is connected to the output of the synchronized generator the voltage of the gate, and the output is connected to the input of the gate pulse generator, the output of which is also connected to the second input of the second controlled trigger, the input of the synchronized sawtooth voltage generator connected to the second input of the first controlled trigger, an additional limiting amplifier is introduced, the gain of which connected to the second inputs of the strobe cascades of the third and fourth formers, and the input is connected to the second input terminal of the device.

На чертеже показана структурная схема предлагаемого устройства.The drawing shows a structural diagram of the proposed device.

Схема содержит усилители-ограни- 45 чители 1 и 2, формирователи 3 и 4 импульсов, управляемые триггеры 5 и б, синхронизированные генераторы 7 и 8 пилообразного напряжения, компараторы .9 и 10, формирователи 11 и 12 стро-jQ боскопических импульсов, строб-каскады 13 и 14, интеграторы 15 и 16, усилители 17 и 18 постоянного тока, блок 19 управления, элементы И 20 и 21, элемент ИЛИ 22, счетчик 23 импульсов, $$ первый и второй формирователи 24 и 25 последовательностей счетных импульсов со сдвигом 180°между ними, элемент И 26, задающий генератор 27, делитель 28 частоты и триггер 29, 6Q третий и' четвертый формирователи 30 и 31 импульсов переходов через нуль.The circuit contains amplifier amplifiers 45, amplifiers 1 and 2, drivers 3 and 4 of pulses, controlled triggers 5 and b, synchronized generators 7 and 8 of sawtooth voltage, comparators .9 and 10, drivers 11 and 12 of stro-jQ boscopic pulses, strobe cascades 13 and 14, integrators 15 and 16, DC amplifiers 17 and 18, control unit 19, AND 20 and 21 elements, OR 22 element, 23 pulse counter, $$ first and second formers 24 and 25 counting pulse sequences with a shift of 180 ° between them, the element And 26, the master oscillator 27, the frequency divider 28 and the trigger 29, 6Q t ety and 'fourth formers 30 and 31 pulses of zero-crossings.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Опорный сигнал поступает на вход усилителя-ограничителя 1, после чего «5 из этого сигнала формирователями 3 и 4 формируются импульсы в момент перехода через нуль как в положительную, так·и в отрицательную сторону. Сформированные импульсы поступают на .одни входы управляемых триггеров 5 и 6.The reference signal is fed to the input of the amplifier-limiter 1, after which “5 from this signal, the shapers 3 and 4 form pulses at the moment of transition through zero to both positive and negative sides. The generated pulses arrive at one of the inputs of the controlled triggers 5 and 6.

С формирователя- 3 импульсы поступают на запуск генератора 1, где вырабатывается пилообразное напряжение с периодом, равным периоду входного сигнала. Это пилообразное напряжение сравнивается в компараторе 9 с постоянным напряжением, снимаемым с выхода усилителя 17.From the shaper-3 pulses are supplied to start the generator 1, where a sawtooth voltage is generated with a period equal to the period of the input signal. This sawtooth voltage is compared in the comparator 9 with a constant voltage taken from the output of the amplifier 17.

С выхода компаратора 9 сигнал поступает на формирователь 11, Этими импульсами в строб-каскаде 13 стробируется бинарный сигнал, представляющий собой усиленную и ограниченную усилителем-ограничителем 2 смесь . сигнала и шума. Значение выстробированного сигнала (логические ''О’' или ''1'') запоминается до прихода следующего атроб-импульса. Напряжение с выхода строб-каскада 13 интегрируется интегратором 15, после чего поступает на инвертирующий вход усиг лителя 17,From the output of the comparator 9, the signal is supplied to the shaper 11, These pulses in the strobe stage 13 gate the binary signal, which is a mixture amplified and limited by amplifier-limiter 2. signal and noise. The value of the gated signal (logical `` О ’'' or` `1 '') is remembered until the arrival of the next atrob pulse. The voltage from the output of the strobe cascade 13 is integrated by the integrator 15, after which it is supplied to the inverting input of the amplifier 17,

Усилитель 17 - дифференциальный балансируется таким образом, чтобы равновесие третьего формирователя соблюдалось в случае, если время прихода строб-импульсов совпадает с моментом пересечения усиленного и огранц~ ченного входного сигнала U₂ без шума нулевого уровня. При использовании инвертирующего усилителя 17 точка устойчивого равновесия третьего формирователя 30 (рабочая точка) соответствует переходу через нуль чистого сйгнала U₂ с положительной производной, причем, если равновесия нет и время возникновения строб-импульсов соответствует положительной полуволне входного сигнала, то выходное напряжение усилителя 17 уменьшается, т.е. формирователь стремится к равновесному устойчивому'' состоянию в сторону уменьшения аргумента входного синусоидального сигнала, для отрицательной полуволны - в сторону увеличения аргумента.Amplifier 17 - differential is balanced so that the balance of the third driver is observed if the arrival time of the strobe pulses coincides with the moment of crossing the amplified and limited input signal U ₂ without zero level noise. When using an inverting amplifier 17, the point of stable equilibrium of the third shaper 30 (operating point) corresponds to the zero crossing of the pure signal U ₂ with a positive derivative, and if there is no equilibrium and the time of occurrence of strobe pulses corresponds to the positive half-wave of the input signal, the output voltage of the amplifier 17 decreases , i.e. the shaper tends to an equilibrium stable '' state in the direction of decreasing the argument of the input sinusoidal signal, for the negative half-wave - in the direction of increasing the argument.

В связи с этим формирователь 30 может устанавливаться в устойчивое состояние (нерабочее), соответствующее максимальному напряжению с выхода усилителя 17 для измеряемой разности фаз Ч’< 180° .или минимальному напряжению с усилителя 17 для νχΙδΟ⁰. Если в этом случае изменить напряжение’ на выходе усилителя 17 на противоположное, то формирователь 30 автоматически установится в рабочую устойчивую точку равновесия. Для этого пределы изменения выходного напряжения с выхода усилителя 17 выбираются большими, чем пределы изменения пилооб5 ί разного напряжения. При установлении формирователя 30 в нерабочую точку на выходе компаратора 9 отсутствует сигнал. В этом случае на формирователь 11 строб-импульсов через блок 19 управления поступают импульсы с формирователя 2 и одновременно, посредством блока 19 управления, изменяется выходное напряжение с выхода усилителя 17 до противоположного напряжения.In this regard, the driver 30 can be installed in a stable state (inoperative) corresponding to the maximum voltage from the output of the amplifier 17 for the measured phase difference ''<180 °. Or the minimum voltage from the amplifier 17 for νχΙδΟ ⁰ . If in this case, the voltage 'at the output of the amplifier 17 is changed to the opposite, then the former 30 will automatically be installed at a working stable equilibrium point. For this, the limits of the change in the output voltage from the output of the amplifier 17 are chosen larger than the limits of the change in sawtooth 5 ί of different voltages. When the shaper 30 is installed at a non-working point, there is no signal at the output of the comparator 9. In this case, pulses from the shaper 2 are supplied to the gate strobe generator 11 through the control unit 19 and at the same time, through the control unit 19, the output voltage from the output of the amplifier 17 changes to the opposite voltage.

Аналогично работает четвертый формирователь 31, вырабатывающий импульсы в момент прохождения входного сигнала через нуль с отрицательной производной. Для этого в формирователе 15 31 используется инвертирующий усилитель 18. Запуск генератора 8 осуществляется импульсами с выхода формирователя 11. В этом случае момент перехода входного сигнала через нуль с οτ;рицательной производной соответствует 'середине рабочего участка пилообразного напряжения,снимаемого с выхода генератора 8. Пределы изменения выходного напряжения усилителя 18 могут быть выбраны меньшими, чем пределы изменения Пилообразного напряжения, например,с помощью ограничения. Тогда устойчивая точка будет одна - . она и есть рабочей устойчивой точкой.The fourth driver 31 works similarly, generating pulses at the moment the input signal passes through zero with a negative derivative. To do this, inverter 15 31 uses an inverting amplifier 18. The generator 8 is started by pulses from the output of the driver 11. In this case, the moment the input signal passes through zero with οτ; the negative derivative corresponds to the middle of the sawtooth voltage working section taken from the output of generator 8. Limits changes in the output voltage of the amplifier 18 can be selected smaller than the limits of the variation of the Sawtooth voltage, for example, by limiting. Then the stable point will be one -. it is a working stable point.

На выходах триггеров 5 и 6 формируются импульсы, равные временным (интервалам между переходами через нуль сигналов и U₂ с положительными и отрицательными производными. Импульсы с триггеров 5 и 6 поступают соответственно на входы элементов И 20 и 21. На другие входы элементов И 20 и 21 с формирователей 24 и 25 импульсов поступают две последовательности квантующих импульсов, сдви-40 нутых на 180°. Задающий генератор 27 генерирует счетные импульсы, поступающие на вход элемента И 26. Делитель 28 частоты счетных импульсов и триггер 29 ограничивают время измерения.Таким образом,с элемента И 26 5 на формирователи 24 и 25 поступают колебания задающего генератора 27 в течение измерительного времени. Информация с выходов элементов И 20 и 21 через элемент ИЛИ 22 посту10 пает в счетчик 23.At the outputs of triggers 5 and 6, pulses are generated that are equal to time (intervals between the transitions through zero of the signals and U ₂ with positive and negative derivatives. The pulses from triggers 5 and 6 are received respectively at the inputs of the elements And 20 and 21. At the other inputs of the elements And 20 and 21 from the pulse generators 24 and 25 two sequences of quantizing pulses are received, shifted by 40 ° by 180 °. Thus, from the element And 26 5 on the shapers 24 and 25 receive oscillations of the master oscillator 27 during the measurement time. Information from the outputs of the elements And 20 and 21 through the element OR 22 is sent to the counter 23.

При использовании усилителя-ограничителя уменьшается погрешность измерения сдвига фаз, обусловленная конечным коэффициентом усиления усилителем постоянного тока вследствие увеличения крутизны сигнала в области нуль-перехода.When using an amplifier-limiter, the error in the measurement of the phase shift due to the finite gain of the DC amplifier due to an increase in the steepness of the signal in the region of the zero transition is reduced.

Таким образом, применение усилителя-ограничителя позволяет повысить точность измерения сдвига фаз.Thus, the use of an amplifier-limiter can improve the accuracy of phase shift measurements.

Claims

The pulse driver consists of a serially connected gateway, an integrator, an inverting DC amplifier and a comparator, a strobe pulse generator, a synchronized generator, a sawtooth voltage and a control unit; the first input of the gate pulse generator is connected to the comparator output and to the first input of the control unit, and the output - with the first gate of the strobe cascade and with the second input of the first controlled trigger; the output of the synchronized sawtooth generator is connected to the second input of the comparator, and the entrance - from. the output of the first pulse shaper and the second input of the control unit, the second one, the output of which is connected to the second input of the strobe pulse former, and the first - to the second input of the inverting direct current amplifier, and the fourth pulse shaper consists of the strobe pulse former, the output of which through a series-connected system, an integrator and a non-inverting DC amplifier connected to the first input of the comparator, the second input of which is connected to the output of a synchronized generator PI and the output is connected to the input of the strobe pulse shaper whose output is also connected to the second input of the second controlled trigger, and the input of the synchronized sawtooth generator is connected to the second input of the first controlled trigger, an additional amplifier is introduced a limiter whose output is connected to the second inputs of the strobe cascades of the third and fourth drivers, and the input to the second input terminal of the device. The drawing shows a block diagram of the proposed device. The circuit contains amplifiers 1 and 2, shapers 3 and 4 pulses, controlled triggers 5 and b, synchronized generators 7 and 8 of sawtooth voltage, comparators .9 and 10, shapers And 12 pb of pulses, strobe cascade 13 and 14, integrators 15 and 16 DC amplifiers 17 and 18, control unit 19, AND elements 20 and 21,: OR element 22, pulse counter 23, first and second drivers 24 and 25 of the sequence of counting pulses with a shift of 180 ° mei doo them, the element And 26, the master oscillator 27, the divider 28 frequency and trigger 29, the third fourth formers 30 and 31 pulses of zero-crossings. The device works as follows. The reference signal is fed to the input of the amplifier-limiter 1, after which pulses are formed from this signal by shapers 3 and 4 at the moment of crossing the zero as in a positive, such as in a negative direction. The generated pulses go to the pdni inputs of controlled triggers 5 and 6. From the former, 3 pulses arrive at the start of the generator 7, where a sawtooth voltage is generated with a period equal to the period of the input signal. This sawtooth voltage is compared in the comparator 9 with a constant voltage taken from the output of the amplifier 17. From the output of the comparator 9, the signal arrives at the driver 11, These pulses in the strobe-cascade 13 gates the binary signal, representing amplified and limited by the amplifier - limiter 2 mixture. signal and noise. The value of the gated signal (logical 0 or 1) is stored until the next strobe pulse arrives. The voltage from the output of the strobe-cascade 13 is integrated by the integrator 15, after which it is fed to the inverting input of the amplifier 17, the Amplifier 17 - the differential is balanced so that the equilibrium of the third driver is met if the arrival time of the strobe pulses coincides with the instant of crossing the amplified and limited input signal V without noise level zero. When using inverting amplifier 17, the steady-state equilibrium point of the third driver 30 (operating point) corresponds to a zero-crossing signal and a positive derivative, and if there is no equilibrium and the time of occurrence of strobe pulses corresponds to a positive half-wave of the input signal, the output voltage of the amplifier 17 decreases, i.e. the driver tends to an equilibrium stable state in the direction of decreasing the argument of the input sinusoidal signal, for a negative half-wave in the direction of increasing the argument. In this regard, shaper 30 can be set to a steady state (idle) corresponding to the maximum voltage from the output of amplifier 17 for a measured phase difference of H 180 or to the minimum voltage from amplifier 17 for .80 °. If in this case the voltage at the output of the amplifier 17 is reversed, the driver 30 is automatically set to a stable working equilibrium point. For this, the limits of variation of the output voltage from the output of the amplifier 17 are chosen to be larger / greater than the limits of change of the sawtooth voltage. When installing the imaging unit 30 in the off point at the output of the comparator 9 there is no signal. In this case, the driver And strobe pulses through the control block 19 receives pulses from the driver 2 and simultaneously, through the control block 19, the output voltage from the output of the amplifier 17 to the opposite voltage changes. The fourth driver 31 generates pulses in the same way. passing the input signal through zero with a negative pro. izvodnoy. For this, shaper 31 uses an inverting amplifier 18. The generator 8 is started by pulses from the output of shaper 11. In this case, the moment the input signal passes through zero with the OT negative derivative corresponds to the middle of the working section of the sawtooth voltage taken from the generator 8. Limits variations in the output voltage of amplifier 18 may be selected to be less than the limits of changing the sawtooth voltage, for example, by limiting. Then the stable point will be one and it is the working stable point. At the outputs of the flip-flops 5 and b, pulses are formed equal to the time intervals between zero-crossing U and U signals with positive and negative derivatives. The pulses from the flip-flops 5 and 6, respectively, arrive at the inputs of the elements AND 20 and 21. The other inputs of the elements 20 and 21 from the formers 24 to 25 pulses receive two sequences of quantizing pulses shifted by 180 °. The master oscillator 27 generates counting pulses arriving To the input element And 26. The divider 28 of the frequency of the counting pulses and the trigger 29 limit the measurement time. Thus, from the element 26 and the shapers 24 and 25 act the oscillation of the master oscillator 27 during the measuring time. Information from the outputs of the AND elements 20 and 21 through the OR element 22 enters the counter 23. When using a limiting amplifier, the measurement error of the phase shift is reduced due to the final gain factor of the DC amplifier due to an increase in the slope of the signal in the zero-transition region. Thus, the use of an amplifier-limiter improves the accuracy of phase shift measurement. Claims of the invention Full-wave digital phase meter with a constant measuring time by author. St. No. 894596, characterized in that, in order to improve the accuracy of measuring the phase shift by reducing the measurement error due to the final gain factor of the DC amplifier, an additional limiting amplifier is introduced into it, the output of which is connected to the second inputs of the strobe cascades of the third and fourth drivers, and the input is from the second input terminal of the device. Sources of information taken into account during the examination 1. USSR Author's Certificate No. 894596, c.-G 01 R 25/00, 07.01.80.