Изобретение относится к фазоизмерительной технике и может быть использовано для определения угла фазового сдвига (УФС) между двумя электрическими напряжениями синусоидальной формы.
Существует цифровой фазометр с постоянным измерительным временем [2]. Сущность работы устройства заключается в измерении среднего значения относительной величины временного сдвига между исследуемыми напряжениями за некоторое время, не зависящее от частоты исследуемого процесса.
Недостатками устройства являются: низкочастотная и высокочастотная погрешность дискретного преобразования; амплитудно-фазовая погрешность, обусловленная несовершенством формирующих устройств.
Существует цифровой фазометр [1]. Сущность работы устройства заключается в измерении интервала времени между переходами исследуемых напряжений через нуль с последующим или одновременным определением фазового сдвига между этими напряжениями.
Недостатками устройства являются: сложность процедуры измерения и схемной реализации; узкий диапазон измеряемых частот; амплитудно-фазовая погрешность, обусловленная несовершенством формирующих устройств.
Существует также цифровой фазометр [3] - прототип. Этот цифровой фазометр состоит из генератора стробирующих импульсов, микропроцессора, индикатора измеренных значений угла фазового сдвига, а также двух аналогово-цифровых преобразователей в каждом из каналов, при этом выход генератора соединен с АЦП, на входе которых подаются измерительные сигналы, а выходы соединены с микропроцессором (фиг. 1).
Принцип работы предложенного устройства заключается в следующем.
Поскольку величина угла фазового сдвига пропорциональна разности времен пересечения входными сигналами нулевого уровня, то определить ее можно, вычитая время, прошедшее от момента пересечения нулевого уровня для первого и второго входного сигнала (фиг. 2), при этом длительность интервалов будет определяться как
где
n1 и n2 - число выборок сигнала, поступивших с момента начала измерений до момента смены выборки в первом и во втором каналах соответственно;
ΔT - период дискретизации;
Δtp1 и Δtp2 - интервал времени между последней выборкой перед сменой знака и точкой пересечения нулевого уровня.
Для устройства, в котором предусмотрен метод сокращения погрешности, интервалы времени для каждого канала будут определяться по формуле
в зависимости от последовательности поступления выборок перед моментом пересечения сигналом нулевого уровня (фиг. 3).
Недостатки прототипа: существенное возрастание составляющей погрешности измерения УФС, обусловленной линейной аппроксимацией входящих сигналов при приближении значения их частоты к частоте дискретизации.
Целью изобретения является повышение точности измерения угла фазового сдвига (УФС).
Существенным, на наш взгляд, отличием предлагаемого нами фазометра от прототипа является наличие в схеме измерителя угла фазового сдвига дополнительно двух АЦП и двух линий задержки стробирующих импульсов дискретизации, сдвигающих их на определенный интервал времени и управляемых с помощью микропроцессора, а также выбор микропроцессором наименьшей из трех выборок до пересечения сигналом нулевого уровня и после в каждом из каналов.
На фиг. 1 - представлена структурная схема измерителя фазы; на фиг.2 - графики, поясняющие принцип определения УФС для фазометров с синхронной дискретизацией входных сигналов; на фиг. 3 - положение выборок дискретизации при наличии дополнительных АЦП; на фиг. 4 - графическое отображение погрешности, обусловленной линейной аппроксимацией; на фиг. 5 - зависимость значения погрешности, обусловленной линейной аппроксимацией от положения выборки относительно перехода сигнала через нулевое значение; на фиг. 6 - временные диаграммы, поясняющие вопрос определения максимального значения погрешности аппроксимации.
Цифровой фазометр (фиг.1) содержит микропроцессор 1, устройство отображения результатов измерений 2, аналогово-цифровые преобразователи 3, линии задержки 4 и генератор стробирующих импульсов 5.
Фиг. 4 показывает синусоидальное колебание с максимальным значением Vp и периодом дискретизации α между двумя последовательными выборками, θ - положение выборки относительно перехода сигнала через нуль, V1 и V2 - значения выборок до и после пересечения нулевого уровня синусоидальным колебанием соответственно. Если выборки интерполируются линейно, то погрешность фазы Φe1 обусловленная неточным определением точки пересечения нулевого уровня, согласно (1) будет определяться выражением
Расчетные значения Φe1 для некоторых заданных значений α и θ приведены в табл. 1, согласно которым построен график на фиг. 5 зависимости Φe1 от θ при α = 50° , откуда следует, что погрешность, обусловленная смещением точки пересечения нулевого уровня, имеет максимальное значение Φe1max , при значении угла θ = θmax . Это значение можно определить, взяв первую производную по θ от выражения (1) и приравнивая ее нулю, откуда получим
Для снижения погрешности, обусловленной сдвигом точки пересечения нулевого уровня, вызванного линейной аппроксимацией, входной сигнал каждого из каналов дополнительно дискретизируется через промежутки времени 2θmax и 3θmax. С помощью временных диаграмм (фиг. 6) проведем анализ возможных значений Φe1 от θ , причем полагая, что для определения погрешности аппроксимации выбираются минимальные значения выборок до и после пересечения нулевого уровня, либо принимается Φe1= 0 при равенстве одной из них нулю
а) при θ = 0 значение Φe1= 0, поскольку значение выборки на выходе АЦП1 равно нулю;
б) при 0 < θ < 2θmax значение Φe1 определяется из формулы (1), однако значение для данного случая будет равно 2θmax;
в) при θ = 2θmax, Φe1= 0, так как значение выборки на выходе АЦП2 равно нулю;
г) при 2θmax< θ < 3θmax значение Φe1 определяется из формулы (1) для α = θmax
д) при θ = 3θmax Φe1= 0 так как значение выборки на выходе АЦП3 равно нулю;
е) при 3θmax< θ < α значение Φe1 находится аналогично варианту (б);
ж) при θ = α значение Φe1= 0 поскольку значение выборки на выходе АЦП опять становится равным нулю.
Из предыдущих рассуждений следует, что максимальное значение погрешности из-за линейной аппроксимации функции сигнала будет определяться ее значением для α = 2θmax например, для α = 50° максимальное значение Φe1 будет соответствовать значению α = α1= 2θmax= 2•10,213 = 20°. Из табл.1 находим, что Φe1max= 0,6345° для α = 50° и Φe1max= 0,03924 для α = α1= 20° откуда получаем
С помощью ЭВМ по формуле (2) определены значения θmax для различных значений α (см. табл.2).
Аппроксимируя функцию (см. табл. 2) отрезком прямой, получим:
θmax= 0,19113•α (4)
В табл. 3 приведены значения Φe1 рассчитанные по формулам (3) и (4) - точное и аппроксимированное выражение функции соответственно, а также их разность Δ.
Из таблицы следует, что, если требуемая точность определения погрешности, вызванная линейной аппроксимацией, не превышает 0,0020, то в этом случае можно использовать приближенную формулу (4), что существенно упрощает определение θmax.
Из вышеизложенного следует, что повышение точности измерения угла фазового сдвига достигается тем, что в цифровой фазометр, содержащий генератор стробирующих импульсов, микропроцессор, индикатор измеренных значений угла фазового сдвига, а также двух аналогово-цифровых преобразователей в каждом из каналов, при этом выход генератора соединения с АЦП, на выходы которых подаются измеряемые сигналы, а выходы соединены с микропроцессором, введены два АЦП и две линии задержки в каждый из каналов, причем вход каждого дополнительного АЦП соединен с входом первого АЦП, а выходы - с микропроцессором, выход генератора подсоединен к входу линий задержки, выходы которых в свою очередь поданы на тактовый вход АЦП, а управляющие входы соединены с микропроцессором.
Наличие в схеме цифрового фазометра в каждом из каналов дополнительно двух АЦП и линий задержки, управляемых от микропроцессора, позволяет дополнительно осуществлять дискретизацию входных сигналов и соответственно определить значения выборов в точках дискретизации. Последовательность переключения АЦП не зависит от выбранных значений θ и Φ , а определяется номером АЦП. При запуске устройства стробирующие импульсы, поступающие от генератора, подаются на первое, затем на второе и третье АЦП, причем включение второго и третьего будет задержано на интервал времени τл32 и τл33, , соответственно. Значения τл32 и τл33 определяются по формулам (см. описание устройства)
где
f - частота входного сигнала.
Выборки от каждого из трех АЦП поступают на микропроцессор, который выбирает из этих значений наименьшие, до и после пересечения каждым из сигналов нулевого уровня.
Выбор наименьших значений выборок до и после пересечения сигналом нулевого уровня осуществляется следующим образом. Выборки всех трех АЦП записываются путем прямого доступа к памяти в буфер, работающий по принципу "первый пришел - первый вышел", причем знаковый разряд используется для инициализации прерывания микропроцессора и считывания им информации из буфера. Таким образом текущее и предыдущее значения АЦП подвергаются обработке, причем находятся они на ближайшем расстоянии от точки пересечения сигналом нулевого уровня, а потому имеют минимальные значения. Так как дополнительная дискретизация уменьшает расстояние между выборками, то уменьшится и значение погрешности определения точки пересечения нулевого уровня сигналами за счет их линейной аппроксимации - Φe1x и Φe1y .
Поскольку общая погрешность определения точки пересечения нулевого уровня одним сигналом Φe определяется суммой двух составляющих ±Φe1x ±Φe2x - для первого и ±Φe1y ±Φe2y - для второго канала ( Φe2x и Φe2y - погрешность, обусловленная квантованием сигналов в первом канале), то с уменьшением первой составляющей (значение Φe для каждого из сигналов также незначительно уменьшится) уменьшается и погрешность измерения угла фазового сдвига между самими сигналами, равная
Φ = ±Φe1x ±Φe2x ±Φe1y ±Φe2yю
название | год | авторы | номер документа |
---|---|---|---|
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФАЗОВЫХ СДВИГОВ МЕЖДУ ДВУМЯ ГАРМОНИЧЕСКИМИ СИГНАЛАМИ ОДИНАКОВОЙ ЧАСТОТЫ | 2015 |
|
RU2642529C2 |
СПОСОБ ИДЕНТИФИКАЦИИ РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ | 2005 |
|
RU2294546C2 |
Способ ультразвуковой спектрометрии при исследовании биологических жидкостей | 2019 |
|
RU2723152C1 |
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФАЗОВЫХ ФЛУКТУАЦИЙ ГАРМОНИЧЕСКОГО СИГНАЛА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ | 2019 |
|
RU2703614C1 |
Цифровой фазометр | 1976 |
|
SU664120A1 |
Цифровой фазометр | 1983 |
|
SU1182436A1 |
КАРДИОМОНИТОР КВАНТИЛЬНЫЙ | 1994 |
|
RU2107455C1 |
ЦИФРОВОЙ СТРОБОСКОПИЧЕСКИЙ ОСЦИЛЛОГРАФ | 1992 |
|
RU2010239C1 |
СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ | 1993 |
|
RU2072525C1 |
ВЫБОР ПОРОГОВОГО ЗНАЧЕНИЯ И УСИЛЕНИЯ ДЛЯ СПУТНИКОВОГО НАВИГАЦИОННОГО ПРИЕМНИКА | 2006 |
|
RU2417381C2 |
Изобретение относится к фазоизмерительной технике и может быть использовано для определения угла сдвига. Целью изобретения является повышение точности. Фазометр содержит генератор стробирующих импульсов, микропроцессор, индикатор измеренных значений угла фазового сдвига и два канала, каждый из которых состоит из трех аналого-цифровых преобразователей и двух линий задержки 6 ил., 3 табл.
Цифровой фазометр с синхронной дискретизацией входных сигналов, состоящий из генератора стробирующих импульсов, микропроцессора, индикатора измеренных значений угла фазового сдвига и двух каналов, каждый из которых содержит аналого-цифровой преобразователь, причем на входы аналого-цифровых преобразователей подаются измеряемые сигналы, а их выходы подключены к микропроцессору, выход генератора стробирующих импульсов подключен к тактовым входам аналого-цифровых преобразователей, отличающийся тем, что в каждый из каналов введены второй и третий аналого-цифровые преобразователи и две линии задержки, на входы вторых и третьих аналого-цифровых преобразователей подаются измеряемые сигналы, выходы вторых и третьих аналого-цифровых преобразователей подключены к микропроцессору, соединенному с управляющими входами линий задержки, входы которых подключены к выходу генератора стробирующих импульсов, выходы линий задержки соединены с тактовыми входами соответствующих аналого-цифровых преобразователей.
Печь для непрерывного получения сернистого натрия | 1921 |
|
SU1A1 |
SU, авторское свидетельство, 1406511, кл | |||
Печь для непрерывного получения сернистого натрия | 1921 |
|
SU1A1 |
Аппарат для очищения воды при помощи химических реактивов | 1917 |
|
SU2A1 |
SU, авторское свидетельство, 1270719, кл | |||
Печь для непрерывного получения сернистого натрия | 1921 |
|
SU1A1 |
Переносная печь для варки пищи и отопления в окопах, походных помещениях и т.п. | 1921 |
|
SU3A1 |
M.F.Wagdy, M.S.P.Lucas "Evvrors in Simpled Data Phase Measurement" IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, V.I, M-34, N 4, December, 1985, p.507-509. |
Авторы
Даты
1998-05-27—Публикация
1995-02-28—Подача