Измеритель сдвига фаз (его варианты) Советский патент 1983 года по МПК G01R25/00 

Изобретение относится к электрорадиоизмерительной технике и может быть использован при разработке цифровых фазометров повышенной точности.

Известен цифровой фазометр,соде Жсцций стробоскопический и аналогоIцифровой преобразователи, синхро-: визирующий и запоминающий блоки, два перемножителя и два сумматора с накопителями, вычислитель, блок регистров с аналого-цифровым преобрзователем и блоком регистров 1 . Недостаток данного устройства заключен в .низкой точности измерения j обусловленной погрешностью дис кратности. .

Наиболее близким к предлагаемому является измеритель сдвига фаз, содержащий формирователь, аналогоцифровой преобразователь, два сумматора, соединенных с вычислителем, последовательно, соединенные синхронизатор, делитель частоты и запоминающий элемент, а также два перемножителя, дешифратор, стробоскопический преобразователь, вход которого подключен к измерительному входу устройства, причем синхронизатор содинен своим входом с опорным входом устройства и формирователемJ входел перемножителей соединены с в.ыходами аналого-цифрового преобразователя и запоминающего элемента, а выходы - с сумматорами, вьаходы которых подключены к вычислителю, дешифратор соединен входами с делителем частоты и выходом синхронизатора, а выходом - со стробоскопическим преобразователем, выход которого подключен к аналого-цифровому преобразователю, при этом выход формирователя соединен со входо.м делителя частоты 2 .

Недостаток известного устройства низкая точность измерения. Поскольку в одном периоде входного сигналу используется лишь один отсчет, то при фиксированном времени измерения, например Ти, рТ (т - период входного сигнала; р - количество точек отсчета) для получения результата в каждой точке будет использоваться лишь один отсчет, т.е. усреднения не будет.

Цель изобретения -. повышение точности измерения.

Поставленная цель достигается тем первый вариант), что в измеритель сдвига фаз, содержащий подключенный к измерительному входу устройства стробоскопический преобразователь и соединенный с ним аналого- цифровой преобразователь, подключенный к двум перемножителям, входами соединенным с запоминающим элемен том и через сумматоры - .с вычисли.телем, синхронизатор и формирователь подключенные к опорному входу устрой

ства, делитель частоты, подключенный к выходу синхронизатора, введены реверсивный счетчик, делитель с переменным коэффициентом деления, времязадающий делитель, блок пуска последовательно соединенные .триггер элемент И, счетчик, преобразователь кодов, сумматор с регистром и блок сравнения кодов, подключенные к реверсивному счетчику, делителю частоты и запоминающему элементу, ревесивный счетчик соединен с входами триггера, стробоскопического и аналого-цифрового преобразователей и с выходом счетчика, синхронизатор с входом элемента И, сумматор с регистром - с выходом аналого-цифрового преобразователя, входы делителя с переменным коэффициентом деления соединены с выходами преобразователя кодов и счетчика соответственно, причем триггер по входу соединен с аналого-цифровым преобразо вателем/ делитель с переменньм коэффициентом деления - с выходом формирователя, вреьлязадающий делитель входЪм соединен с делителем с переменным коэффициентом деления, а.выходом - с входами вычислителя и блока пуска, выходы которого соединены с делителем с переменным коэффициентом деления и элементом И.

Причем в измеритель сдвига.фаз (второй вариант| содержащий стробоскопический преобразователь, аналого-цифровой преобразователь , соединенный с двумя перемножителями, подключенными к первому запоминающему элементу непосредственно, а через два сумматора - к вычислителю, формирователь, синхронизатор, соединенный через делитель частоты - с первым запоминающим элементом, введены генератор импульсов-, последовательно соединенные аналоговый сумматор, делитель напряжения, первый преобразователь код - напряже ние, второй преобразователь код напряжение, блок деления и второй запоминающий элемент, последовательно соединенные вычитающий счетчик, первый счетчик, первый элемент И, второй элемент И, второй счетчик и триггер, соединенный первым элементом И, причем генератор импульсов соединен с вторым элементом И, формирователь по выходу. - с входами вычитаняцего счетчика, первого элемента И, триггера, а по входу с выходом синхронизатора, первый счетчик соединен с входом блока деления, выход вычитающего счетчика соединен с входом первого преобразователя код - напряжение, выход синхронизатора соединен с входами стробоскопического и аналого-цифрового преобразователей, аналоговый сумматор по входу соединен со стробскопическим преобразователем, а по

выходу - с аналого-цифровым преобразователем.

На фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемого устройства (первый вариант ; на фиг. 2 - то же (второй вариант)..

В первом варианте измеритель сдвига фаз содержит стробоскопуческий преобразователь 1., соединенный через аналого-цифровой преобразователь 2 с перемножителями 3 и 4, которые через сумматоры 5 и 6 подключены к вычислителю 7. Триггер 8 через последовательно соединенные элемент И 9 счетчик 10, преобразователь 11 кодов соединен с сумматором 12, с регистром, который подключен к запоминающему элементу 13 и блоку 14 сравнения кодов. Синхронизатор 15 соединен с делителем 16 частоты. Реверсивный счетчик 17 соединен со счётчиком 10. Формирователь 18 соединен через делитель 19 с переменным коэффициентом деления с времязадающим делителем 20, который соеди-нен с блоком 23 пуска, а также с вычислителем 7.

Во втором варианте измеритель сдвига фаз содержит стробоскопический преобразователь 1, соединенный через аналоговый сумматор 2 с аналого-цифровым преобразователем 3, который подключен к двум перемножителям 4 и 5, соединенным непосредственно с первым запоминающим элементом б, а через два сумматора 7 и В - с вычислителем 9, к входу устройства подключен синхронизатор 10, соединенный с формирователем 11, делитель 12 напряжения соединен очерез последовательно соединенные первый преобразователь 13 код - напряжение и второ преобразователь 14 код - напряжение с-блоком 15 деления, соединенным со вторым запоминающим элементом 16, вычитающий счетчик 17, соединенней через последовательно соединенные первый счетчик 18, первый элемент И 19 и второй элемент И 20, второй счетчик 21 с триггером 22, генератор 23 импульсов, соединенный со вторым элементом И 20, причем формирователь 11 соединен с вычитающим счетчиком 17, первым элементом И 19, триггером 22, первый счетчик 18 сое динен с блоком 15 деления, Синхронизатор 10 - со стробоскопическим 1 и аналого-цифровым 3 преобразователями, а также через делитель 24 час- |тоты - с первым запоминающим элементом 6.

В первом варианте устройство работает следующим образом.

Стробоскопический преобразователь 1 производит выборкимгновенных значений входного сигнала, а аналогоцифровой преобразователь 2 преобразует их в цифровой код. Коды X с выхода аналого-цифровогопреобразователя 2 перемножаются в перемножителях 3 и 4 с тригонометрическими коэффициентами sin i о лН: и co& cout , хранящимися в запоминающем элементе 13. Результаты перемножений суммируются в сумматорах 5 и 6. Результат измерений вычисляется в вычислителе 7. Таким образом, измеритель реализует цифровой вариант оптимального алгоритма измерения сдвига фаз

.Z k Sin-icout

Л-Л

Cprai-ct

Z v;cos-i60&t

Здесь it - интервал времени межТ 9 жу отсчетами, , j t. .

Запуск стробоскопического 1 и аналого-цифрового 2 преобразователей обеспечивается импульсом с выхода реверсивного счетчика 17.

Формирование этого импульса происходит следующим путем. Синхрони затор. 15 является умножителем частоты входного сигнала. Таким обраэо на выходе синхронизатора 15 присутсвуют импульсы с периодом ut . Эти импульсы непрерывно просчитываются делителем 16 частоты и, поскольку его емкость равна р , то код на выходе делителя 16 частоты соответствует номеру считываемой точки.

В момент запуска стробоскопического 1 и аналого-цифрового преобразователя 2 запускается триггер 8. После окончания процесса преобразования по импульсу с выхода аналого-цифрового преобразователя 2 триггер 8 возвращается в исходное сос;тояние. В результате этого в счетчике 10 оказывается записанным число N m4o(.,mn/At, где тп 0,1,2..,, р ( время аналого-цифрового преобразования: . -

К преобразователю 11 кодов подключены младаше разряды счетчика 10 в которых записывается значениео . К реверсивному счетчику 17 подключены стагяиие разряды счетчика 10, в которых записывается значение т..

: at, ТО m О, ot

Если Т

AUn

Это легко обеспечить введением соответствующих задержек, не указанных на блок-схеме.

Преобразователь 11 кодов и реверсивный счетчик 17 в этом случае не оказывают влияния на процесс.

В сумматоре 12 с регистром исходное устанавливается 1, в результате чего весь процесс измерения начинается с, первой точки. Затем по импульсу конца, с выхода аналого-цифрового преобразователя 2 происходит суммирование числа об , записанного я счетчике 10 с числом, хранимым в сумматоре d 2 с регистром.

Таким образом, на выходе сумматора с регистром 12 формируется код очередного OTc4feTa. Этот код сравнивается с кодом текущего отсчета с выхода делителя 16 частоты блоком 14 сравнения кодов, который в Момент их равенства формирует импульс запуска стробоскопического 1 и аналогоцифрового 2 преобразователей и триггера 8. При об 1 на выходе сумматора с регистром 12.появляются коды. 2 и 3 и т.д., после каждого срабатывания ан.алого-цифрового преобразователя 2, т.е. последовательность Х сохраняет естественный вид Х, X-j ...

При &i Т, ближайшим к первОй отсчетной точке является точка с номером 3, поскольку в точке 2 еще не закончилось преобразование, начатое в.точке 1. Таким образом, последовательность отсчетов имеет вид Х,|, Х-, Xf... Однако не для

всех р такой порядок отсчетов является наилучшим. Так, например, . для р 16 более целесообразен следующий порядок отсчетов 1,4,7,10, 13,16,3,6,9,12,15,2,5,8,11,14. Дале процесс может быть продолжен в той же последовательности. Целесообразность именно такого расположения отсчетов обусловлена равномерностью интервалов времени между отсчета1 «1, в том исле между последним в текущей серии и первым в последующей серии.

Для расматриваемого частного примера р 16 приведенная последовательность отсчетов является рабочей также для Зб. .

Таким образом, преобразователь 11 кодов в рассматриваемом примере должен работать в соответствии с талицей.

1. ИЗМЕРИТЕЛЬ СДВИГА ФАЗ; , содержащий подключенный к измери-. тельному входу устройства стробоскопический преобразователь и соединенный с ним аналого-цифровой преобразователь, хЛэдключенный к двум перемножителям, входами соединенными с запоминающим элементом и через . сумматоры - с вычислителем, синхронизатор и формирователь, подключенные ,к опорному входу устройства. дел 1тель частоты, пoдкJ Iючeнный к выходу синхронизатора отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены реверсивный счетчик, делитель с переменным коэффициентом деления, времязадающий делитель, блок пуска, последовательно соединенные триггер, элемент И, счетчик, преобразователь кодов, сумматор с регистром и ; блок сравнения кодов, подключённые к реверсивному счетчику, делителю частоты и запоминающему элементу, реверсивный счетчик соединен с входами триггера, стробоскопического и аналого-цифрового преобразовате-, лей и с выходом счетчика, синхрони-- затор - с входом элемента И, сум- .. матор с регистром - с выходом аналого-цифрового преобразователя, входы делителя с переменным коэффициентом деления соединены с выходами преобразователя кодов и соответственно, причем триггер по входу соединен с аналого-цйфровым преобразователем, делитель с переменным коэффициентом деления - с выходом формирователя, времязадающий делитель входом соединен с делителем с переменным коэффициентом деления, а выходом - с входами вычислителя и блока пуска, выходы которюго соединены с делителем с переменным , коэффициентом деления и элементом И. 2. Измерители сдвига фаз,содержащий стробоскопический преобразователь, аналого-цифровой преобразователь, соединенный с двумя перемножителями, подключенными к первому запоминающему элементу непосредственно, а через два сумматора - к вычислителю, формирователь, синхрони§ затор, соединенный через делитель частоты - с первым запоминающим .элементом, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены генераг тор импульсов, последовательно сое8 е диненные аналоговый сумматор, делитель напряжения, первый преобразователь код - напряжение, второр преобразователь код - напряжение, блок деления и второй запоминающий элемент, последовательно соединенные вычитающий счетчик, первый счетчик, j 4 первый элемент И, второй элемент И, ; второй счетчик и триггер, соединен:о ;ный с первым элементом и, причем ND генератор импульсов соединен с вто:рым элементом И, формирователь по выходу - с входами вычитающего Счетчика, первого элемента И, триггера, а по входу --С выходом синхронизатора , первый счетчик соединен с вхо- дом блока деления, выход вычитающего счетчика соединен с входом первого преобразователя код - напряжение, выход синх1 онизатора соединен с входами стробоскопического и аналого-цифipOBoro преобразователей, аналоговый сумматор по входу соединен со стобоско- ;пическим п$)еобразователем,а по выходу с аналого-цифровым преобразователем.

Для других р алгоритм работы преобразователя 11 кодов будет отличным от приведенного.

ДляТдцп 0. Значение т. переносится в реверсивный счетчик 17. На его выходе появится импульс запуска через время {И + ot) Ai - Я At . Например, для р 1б,Тдц„ 16,54.t тогда m 1, и 0. После первого . запуска сумматор 12 с регистром , выставит код второй точки на блок 14 сравнения кодов. Через 0,5 it на делителе 16 частоты появится код второй точки и блок 14 сравнения кодов формирует- импульс. Запуск устройства произойдет только через период входного сигнала, т.е. в момент вторичного совпадения кодов. Импульсом в момент первого совпадения кодов значение m в реверсивном счетчике 17 будет уменьшено до нуля. После формирования импульса запуска значение m в реверсивном счетчике 17 восстанавливается.

Поскольку спрос всех р точек производится за несколько периодов . входного сигнала, то время измерения зависит от . Поэтому в устройство вводится делитель 19 с переменным коэффициентом деления. Из примера для р 16 видно, что опрос всех точек производится за три периода. КоэффициентN деления делителя 19 с переменным коэффициентом деления в

этом случае будет равен 3. Емкость времязадающего делителя 20 вы- . бирается из условий эффективного усреднения.

ПриТдцп but(2 ...) в различных периодах входного сигнала в пределах одного измерительного цикла в счетчике 10 возможнопоявлениелибо N , либо N +1, что сделает изчмерение невозможным из-за большой погрешности. Для устранения этого эффекта в устройстве предусмотрено определение М вне измерительного цикла. После переполнения времязадающего делителя 20, т.е. окончания времени измерения, блок 21 пуска выдает разрешающий потенциал на элемент И 9 на время, достаточное для определения N . После этого разрешающий потенциал снимается, значение N фиксируется в счетчике 10, в делителе 19 с переменным коэффициентом деления устанавливается коэффициент деления. Новый измерительный цикл проходит при постоянном значении Ы .

Во втором варианте работа устройства происходит 6 два этапа - подготовительном и измерительном.

Во время подготовительного этапа происходит формирование числа KT TM-JM / У г записываемого в первый счетчик 18. ЗдесьТц м - время измеренияJ Т - период входного сигнала. Это происходит следующим обрдзом. С выхода формирователя 11 поступают импульсы, соответствующие положительным нулевым переходам вход ного сигнала по опорному входу. Триг гер 22 устанавливается в единичное состояние импульсом с выхода формйрователя 11 и открывает первый 19 и второй 20 элементы И. Емкость, второго счетчика 21 определяет время измерения, которое формируется при прохождении через второй элемент И 2 импульсов с генератора 23 импуяьсЬв. После переполнения второго счетчика 21 триггер 22 возвращается в исходное состояние. Таким образом, первьгй элемент И 19 оказывается открытым в течение времени измерения, формируемого триггером 22, потому в первом счетчике 18 к концу времени изме рения оказывается записанным число К- . На этом подготовительный этап заканчивается. Во время измерительного этапа триггер 22 блокируется, т.е. состояние первого счетчика 18 не изменяется.. Работа устройства в измерительном этапе. .. Импульсы с выхрда синхронизатора 10, который является умножите- .. . лем частоты, следуютс периодомл1 у где р - количество точек отсчета, укладывающихся в одном периоде входного сигнала. Этими импульсами запускаются стро боскопический 1 и аналого-цифровой 3 преобразователи, которые производят операции квантования по времени и дискретизации по уровню. Таким образом,- на выходе аналого-цифрового преобразователя 3 присутствуют кодал мгновенныхзначений входного сигна. ла в точках отсчета, соответствукндих импульсам с выхода синхронизатора 10 Делитель 24 частоты просчитывает им-; пульсы синхЕКЭнизатора 10, формируя адрес для первого запоминающего , ,элемента б, в котором хранятся триго нометрические коэффициенты Situсо it; л .cos tou-t , позволяющие производить, расчет результата измерения вычислителем 9 по формуле ,V S. x SJnicoat ч. « агс-1б:л2 П « Our X X COSic.JAt Здесь Х; - коды с выхода аналогр цифрового преобразователя 3,, (х) .в сумматорах 7 и 8 накап ливаются соответственно числитель и знаменатель выражения (2J. ПовЕлиение точности измерения про исходит следующим путем. Если смешать масштабную сетку яналого-цифрового преобразователя 3 на значение , О j К т UQ- квант.-: аналого-цифрово о преобразователя 3 , то окажется, что это эквивалентно использованию аналого-цифрового преобразователя с квантом Ug/k, т.е. повышенной разрядности. Количество разрядов К вычитающего счетчика 17 равно количеству разрядов первого преобразователя 13 код - напряжение. Значение К т переносится в вычитающий счетчик 17 перед началом измерительного цикла. В процессе измерения при. поступле-. НИИ с формирователя 11 импульсов число в -вычитающем счетчике 17 умень-. шается на единицу за период входного сигнала. Поскольку первый преобразователь 13 код - напряжение является умножающим, то на его выходе формируется ступенчатое напряжение i Up/Ky , причем длительность ступеньки равна периоду входного сигнала. Поэтому все отсчеты входного сигнала, снимаемые в текущем периоде, производятся- при неизменном напряжении , смещающим сигнал с выхода стробоскопического преобразователя 1 с помощью аналогового сумматора 2. Делитель 12 напряжения необходим для приведения масштабов необходимого напряжения смещения и напряжения с выхода первого преобразователя 13 код - напряжение. При работе в диапазоне частот KT К F что вызывает необходимость изменения опорного напряжения для первого преобразователя 13 код - на- пряжение. Это обеспечивается с по-о мощью блоков 14 - 16. Во втором запоминающем элемент 16.хранится число, равное произведению Up К .В блоке 15 деления производится математическая операция деления UQ k на KT . Поэтому на входы второго преобразователя 14 код - напряжение поступает код результата деления, который преобразуется в напряжение. Таким образом., при любых ky в первом периоде входного сигнала напрджение смещения равно максимальйому значению, т.е. UQ , а на последнем - нулю. , Применение данных вариантов предлагаемого устройства оценива1бт среднеквадратической погрешностью измерения, которая определяется по формуле б4 UQ/Чщ Гй, тогда к#к для известного устройства В соответствии с выражением Uo/irrt,.

г/