Цифровой фазометр Советский патент 1983 года по МПК G01R25/00 

СО

со Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначе но для определения величины фазовог сдвига сигналов. Известен цифровой фазометр, соде жащий формирователь, блок управлеНИИ, генератор эталонной частоты, счетчик памяти, счетчик сравнения, регистрирующее устройство, управляе мле вентили, логический элемент И, две группы схем переноса. В данном фазометре результат получают по око чании первого периода исследуемых сигналов 1 . Недостатком фазометра является сложность, так как обработка инфсфм ции производится в параллельном и последовательном коде и имеются два режима работы, определяемые величино временного сдвига исследуемых напря жений . Известен также цифровой низкочас тотный фазометр, содержащий формиро ватель импульсов, соединенный через триггер с первым входом элемента И, второй вход которого соединен с генератором, первый счетчик, выходы которого соединены с первой группой схем переноса, второй счетчик/ соедине.нный поразрядно второй группой схем переноса с третьим счетчиком, выход которого соединен с входом первого счетчика и импульсными входами второй группы схем переноса, дополнительные счетчик, элемент И и триггер, причем счетный вход допол нительного счетчика подключен к генератору импульсов, выходы которо го соединены с дополнительным элемен том И, выход последнего связан с . дополнительным триггером и импульсными входами первой группы схем пере носа, выходами, подключенными к установочным входам дополнительного счетчика, выход дополнительного триг гера связан с управляющим входом дополнительного счетчика, счетным входом второго счетчика и третьим входом элемента И, выход которого соединен с третьим счетчиком. Принцип работы устройства заключается в измерении текущего значения сдви га фаз, для чего от предыдущего значения фазы нужно вычесть приращение фазового сдвига, которое произошло за счет момента этого времени С2. Недостатком известного устройства является низкая точность измерения сдвига фаз. Цель изобретения - повышение точности измерения сдвига фаз при сохранении требуемого быстродействия. Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее два формирователя, соединенные соответственно с первым и вторым триггерами, первый элемент И, один вход ко торого соединен с выходом первого триггера, второй вход подключен к выходу генератора, а выход - к первому счетчику, второй элемент И, третий триггер, второй, третий и четвертый счетчики, введены два двоичных умножителя, дополнительные счетчик и элемент И, один вход которого соединен с выходом третьего TpHriepa, второй вход соединен с генератором, а выход подключен к входам второго и третьего счетчиков, причем входы первого двоичного умножителя соединены с выходами первого и второго счетчиков, выход с одним входом второго элемента И/ второй вход которого соединен с выходом второго триггера, а входы второго двоичного умножителя соединены с выходами третьего и четвертого счетчиков, выход подключен к одному входу дополнительного счетчика, второй вход которого соединен с выходом второго элемента И, а выходы подключены к входам третьего триггера, при этом вход четвертого счетчика соединен с выходом первого элемента И. На Фиг. 1 приведена структурная схема цифрового фазометра; на фиг. 2 - временные диaгpa Ф4ы работы устройстгв. Цифровой фазометр содержит формирователи 1-й 2, триггеры 3, 4 и 5, генератор 6, элементы И 7, 8 и 9, счетчики 10-13, двоичные умножители, 14 и 15, реверсивный счетчик 16. Формирователи 1 и 2 предназначены для фор1 в1рования импульсов прямоугольной формы при переходе через, нулевые значения входных сигналов, сдвиг фаз между которыми измеряется. Триггер 3 устанавливается в состояние 1 по началу периода первого сигнала и возвращается в состояние О по концу периода этого сигнала, в зтот момент и производится считывание результата, который находится в счетчике 10, т.е. триггер 3 формирует интервал времени измерения, соответствующий одному периоду исследуемых сигналов. Триггер 4 устанавливается в 1 по началу периода второго исследуемого сигнала. Триггер 5 устанавливается пооче -редно в состояние 1 и в О сигналами с реверсивного счетчика 16 соответственно Заем и Переполнение. Генератор 6 формирует импульсы постоянной частоты для заполнения измеряел4ых временных интервалов. Счетчики 10-13 - двоичные, выходы разрядных триггеров этих счетчиков связаны с входами двоичных умножителей 14 и 15. Как показано ниже, результат измерения фазы фиксируется в счетчике 10. Двоичные умножители 14 и 15 предназначены для формирования на своем выходе числа импульсов, пропорционального произведению кодов чисел, поступающих на вход каждого двоичного умножителя с выходов подключенных к нему счетчиков, т.е. верны следующие соотношения: tt40- м . «5 Е где N и -количество импульсов с выходаj .соответствукщего индексу при М двоичного умножите .ЛЯ} эти импульсы Пос тупают в число- импульсном коде; .N - число в счетчике со .ответствующем индек-г су при N; Е - емкость каждого ИЗ счетчиков 10, 11, 12 и 13, принятая для . простоты изложения одинаковой. Реверсивный счетчик 16 предназначен для счета импульсов, поступающих на его вычитаюа1ий вход с выхода элемента И 8 и - на суммирующий вход с выхода двоичного умножителя 15. При переполнении этого счетчика с его вы хода идет сигнал Перепапнение, усТан авли веющий триггер 5 в состояние 0 при поступлении на вычитающий вход этого счетчика импульса с эле меита И 8 в момент, когда счетчнк 16 обнулен. На выходе счетчика 16 форми руется команда Заем, устанавливающая триггер 5 в состояние 1 Принцип, положенный в основу работы устройства. По. определению где f - фазовый сдвиг .(в градусах); С - интервал времени между нйчалом периода первого иссле Д5; емого сигнгм1а и началом периода второго исследуемого сигнала, т.е. между одноименными точками исследуемых сигнало в; Т г период исследуемых сигналов Из (3) следует, что фазовый сдвиг . Если текущему значению периода Т, давать приргвдения ДТ от момента времени Т, то сдвиг фаз V уменьшается на величину uf, т.е. из (3) следует, что (fO. (1) Избавимся от знаменателя в этом выражении: (()Т+ДТ)Л-360« V° «fo T-A 5kT--ггзбо. Учтем, что из (3) следует V и, сделав соответствующие сокращения, получим «Г лТ-лЧ Т-Л ЧТгО. Отсюда следует ((.Т) Из (А) следует важный вывод если, начиная с момента , на каждое приращение А-Т формировать число , Af, удовлетворяющее соотношение ), и вычитать это число из с«1етчнка результата, в котором в момент установлено чи.сло 360, то в счетчике результата в любой момент времени находится число f, соответствующее формуле С), т.е. фазовый сдвиг. Устройство работает следующим образом. По команде Начальная установка (шиш: этой команды не показаны) триггер 3 устанавливается в состояние О (при этом с его выхода на элемент И 7 поступает потенциал запрета), триггер 4 устанавливается в О (запрет на элемент И 8), триггер 5 устанавливается в О (запрет на элемент И 9), счетчики 11, 12 и 13 обнуляются, в счетчик 10 устанавливается код 360 , реверсивный счетчик 16 обнуляется. Команда Начальная установка снимается. В момент перехода через нулевое значение первого исследуемого сигнала (обозначим этот момент церез t|) с выхода (рмнрователя 1 на триггер 3 гюступает импульс, устанавливающий триггер 3 в состояние 1. Тем самым снимаетс р{ запрет на прохождение икшульсов генератора 6 через элемент И 7. С выхода элемента И 7 импульсы поступают на суммирование в счетчикн 11 и 12. отметим, что при этом импульсы с двоичного у етожителя 14 через элемент ИВ не проходят - на входе элемента И запрет с триггера 4. В момент перехода через нулевое значение второго исследуемого сигнала (обозначим этот момент через 1-2.) с выхода формирователя 2 на вход триггера 4 поступает импульс, устанавливаюЕций триггер 4 в состояние С триггера 4 на вход элемента И 8 подается теперь разрешающий потенци Заполнение счетчика 11 импульсами ге нератора 6, проходящими через элемент И 7, продолжается, поэтому это обязательно вызывает появление первого (считая от момента tj.) импульса с выхода двоичного умножителя 14.Это импульс через элемент И 8 поступает на вычитающий вход реверсивного счет чика 16. Команда Заем с выхода его поступает на вход триггера 5 и устанавливает триггер 5 в 1. С выхода триггера 5 на элемент И 9 сформирован сигнал разрешения, поэтомуимпульсы генератора б через элемент И начинают поступать на вход счетчика 10 (вычитающий вход) и на вход счетчика 13. Заполнение, импульсами счетчика 13 вызывает появление первого импульса на вЯоде двоичного умножителя 15. Этот импульс поступает на суммирующий вход реБерсивного счетчика 16 f так как мьз рассматриваем случай, когда на вычитгиощий вход счетчика 16 донастоящего момента поступил только один импульс с выхода элемента И 8, то поступление одно го импульса на сукмирующий вход реверсивного счетчика 1G вызывает появление команды Переполнение на выходе этого счетчика, н реверсивный счетчик 16 обнуляется. Команда Переполнение с выхода реверсивного счетчика 16 возвраща.ет :триггер 5 в состояние О, тем самым прекращается прохождение импульсов через элемент И 9. Обйзначим этот .момент времени через t. После этого момента, так как заполнение счетчика 11 продолжается, с выхода двоичного умножителя 14 поступит второй (счита от момента t/j.) импульс, и далее устройство функционирует аналогично описанному после момента поступления первого импульса с двоичного умножителя 14. И так далее, Нсхми рассмотрен случай, когда в реверсивный счетчик 16 поступает на вычитающий вход сначала один импульс с выхода элемента И 8, а затем посту пает один импульс на суммирующий вход счетчика 16 с выхода двоичного умножителя 15, обнуляя реверсивный счетчик 16 и, соответственно, устанавливая триггер 5 в О. .Однако может быть и ситуация, когда на вычитающий вход реверсивного счетчика 16 поступят несколько импульсов с выхода элемента И8, и только после этого начнут поступать импульсы на суммирующий вход реверсивного счетчи ка 16. Эта ситуация возникает, если к моменту установки триггера 4 в сос тояние 1 число в счетчике 12 меньше чясла в счетчике 10, т.е. меньше 360. В этом случае команда Переполнение на выходе реверсивного 16 возникает после поступления на суммирующий вход этого счетчика такого же реверсивного счетчика 16. Это явление обязательно произойдет, так как с выхода двоичного умножителя 14 импульсы идут все реже (число в счетчике 10 - фазовый сдвиг уменьшается), а с выхода двоичного умножителя 15 импульсы идут все чаще (число в счетчике 12 увеличивается, и наступает момент, когда число в счетчике 12 станет больше числа в счетчике 10). Тогда описанный порядок функционирования (т.е. когда на вычитающий и суммирующий входы реверсивного счетчика 16 поочередно поступает по одному импульсу) сохраняется. Следовательно, реверсивный счетчик 16 осуществляет контроль за равенством количества импульсов с выхода двоичноtx умножителя 14 и количества импульсов с выхода двоичного умножителя 15. Когда такого равенства нет, т.е. счетчик 16 не обнулен, то импульсы с выхода генератора б через элемент и 9 проходят. Перейдем к рассмотрению чисел в счетчикг1х 10-13. В момент времени t в счетчиках 11 и 12 записаны числа -N где F - частота генератора 6, Определим сколько импульсов генератора 6 поступит в счетчик 11, чтобы на выходе двоичного умножителя 14 сформировался первый (от момента t.) импульс. Обозначим это число через UN где ьТ - время от момента t до поН явления первого импульса с выхода двоичного умножителя 14. Из (1) следует Чхи так как uN импульсов вызвгши появление одного импульса на выходе двоичного умножителя 14. Поэтому, с учетом того, что в момент t. значение N,n 360 и с учетом (6) можно V выражение (7) записать в виде F ЛТ Определим сколько импульсов генератора 6 поступит в счетчик 13, чтобы на выходе двоичного умножителя 15 сформировался первый импульс. Обозначим это число через N . Из (2) следует, что 1 - Е так как появление импульсов зывает появление одного импульса на. выходе двоичного умножителя 1 В это время число в счетчике 12 рав ).F, т.е. вьо ажепие (9) .можно записа как ) F- Д-jtyb Ив (11) и (t) следует, что 360 F-M j -gMff FjMit3 I откуда - ()/AH, . Следователь но, 360° ДТ Если в выражение (k) подставить чение f 360 ХУ1Я первого после окончани я интервала t приращения то получим выражение (12). А это ворит о том, чфо . . . В устройстве это значение ЛN вы тается иэ значения в счетчике 10 т.е. в счетчике It) находится теп новое эначение фазы, соответству приращению иктерваяа.йТ. При дал шем увеличении ЬТ из счетчика 10 вновь вычитается соответствукицее количество импульсов и в этом счетчике вновь будет значение фазы на текущий момеит времени. Это доказывается аналогично описанному. Измерение заканчивается в«момент второго перехода через нулевое значение первого исследуемого сигнала. При этом триггер 3 возвращается в состояние О иктульсом с формирователя 1, импульсы генератора Б через элемент И 7 на вход счетчика 11 не проходят, и, следовательно, на выходе двоичного умножителя 14 импульсов также не будет. Результат измерения считывают со счетчика 10. Тезшико-эконхилический эффект предлагаемого изобретения заключается в повышении точности измерения при сохранении требуемого, теоретически максимального, быстродействия. Частота генератора в предлагаемом устройстве используется с максимально возможной эффективностью, так как устройство реагирует на минимально возможное приращение периода. Например, если измерения проводятся с дискретностью в 1, емкость счетчиков 10 и 11 равна 512, то второй импульс генератор 6 на входе счетчика 11 дает импульс на выходе двоичного умножителя 14 и, соответственно, изменяет значение фазы угла (уменьшает его от 360). Действительно, ЛН) «2.; Hfc, -ЗбО ; «512 и из выражения (1) следует 360° 2 512

ЦИФРОВОЙ ФАЗОМЕТР, содержащий два формирователя, соединенные соответственно с первым и вторым триггерами, первый элемент И, один вход которого соединен с выходом первого триггера, второй вход подключен к выходу генератора, а выход к первому счетчику, второй элемент И, третий триггер, второй, третий и четвертый счетчики, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения сдвига фаз при сохранении требуемого быстродействия, в него введены два двоичных умножителя, дополнительные счетчик и элемент И, один вход которого соединен с выходом третьего триггера, второй вход соединен с генератором, а выход подключен к входам второго и третьего счетчиков, причем входы первого двоичного умножителя соединены с выхода первого и второго счетчиков , выход - с одним входом второ- . го элемента И, второй вход которого соединен с выходом второго триггера, а входа второго двоичного умножителя соединены с выходами третьего и четвертого счетчиков, выход подключен к одному входу дополнительного счет- «g чика, второй вход которого соединен (Л с выходом второго элемента И, а выходы подключены к входам третьего с триггера, при этом вход четвертого счетчика соединен с выходом первого элемента И.