Цифровой фазометр Советский патент 1983 года по МПК G01R25/00 

Изобретение относится к фазоиэмерительной технике и может быть использовано при разработке прецизионных цифровых фазоглэтров для ши.рокого диапазона частот. Известен цифровой фазометр,соде жащий умножитель -частоты, вход ко торого соединен с одним из входных зажимов устройства, нуль-индикатор, выход { оторого соединен с входом мер фазового сдвига (две пересчетны э схемы и генератор), соединенной своим выходом С цифровым отсчетным устройством С.13. К недостаткам указанного фазомет ра относятся значительная погрешность измерения, вызванная искажением формы преобразованных сигналов из-за неидёнти ности каналов схем запоминания и считывания выборок мгнованных значений входных напряжений, ограничение частотного диапа зона снизу за счет конечного времени хранения запомненных выборок, а также низкая разрешакхцая способности ограниченная быстродействием фазометра. . Наиболее близким к предлагаемому по технической- сущности является цифровой фазометр, содержащий нульиндикатор, первый и второй входы которого через двухканальцый пре образователь частоты соединены соответственно с перрой и второй входными гцинами фазометра, ; гмножитель част-оты, вход которого соединен с второй входной шиной фазометра, а выход г со стробирующим входо двухка,нального преобразователя частоты, управлякщие входы которого со динены с блоком фазового сдвига, дополнител{.ный выход которого соеди нен с первым входом цифрового отсче ного устройства, а вход - с выходом нуль-индикатора С2. Недостатки известного фазометра заключаются в низкой разрешающей способности и большой погрешности измерения, вызванной дискретом отсчета фазовых сдвигов. Повышение то ности за счет увеличения значения тактовой частоты уменьшает помехозащищенность фазометра. Цель изобретения - повышение точ ности и разрешающей способности. . Поставленная цель достигается тем, что в цифровой фазометр, содер жащий блок фазовых сдвигов, цифрово отсчетное устройство, двухканальный преобразователь частоты, умножитель частоты и нуль-индикатор, первый и второй входы которого соединены соответственно через первый и второй выходы двухканального .преобразователя частотыс первой и второй вход i&MH фазометра, вход умножителя частоты подключен к второй вхо ной шине фазометра, а выход соедине со стробирукяцим вхспом двухканального преобразователя частоты, первый и второй управляющие входы которого соединены соответственно с первым и вторым выхоца|уш блока фазовых сдвигов, дополнительный выход которого соединен с первым входом цифрового отсчетного устройства, а вход г с выходом нуль-индикатора, введены два формирователя, два преобразователя частоты, генератор, фазовый девектор, делитель частоты и измеритель интервалов времени, причем первый выход двухканального преобразователя частоты через первый формирователь подключен к входам первого преобразователя частоты и делителя частоты, второй выход двухканального преобразователя частоты, через последовательнЪ соединенные второй формирователь .и второй преобразователь частоты подключен к первым входам фазового детектора и измерителя интервалов времени, выход делителя частоты соедннек с вторв входом фазового детектора, выход которого через генератор подключен к управляющим входам первого и второго преобразователей частоты, тактовый и управлякадий вЯоды измерителя интер валов времени .соединены-соответственно -с высокрчастотнам и дополни.тельным выходами блока фазовых сдвигов, а выход измерителя .интервалов времени соединени Дополнительным входом цифрового, отсчетного устройст ва. . - . . На фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемого фазометра; на фиг. 2 временные диаграммы его работы. Фазометр содержит умножитель 1 частоты, подключенный меяоду второй входной шиной ф аз омет ра и стробир.ующим вхрдом двухканального преобразователя 2 частоты, состояще,го из формирователя 3 .строб-импульсов, выход которого подключен к управляющим входам блоков 4 и 5 стробирования, выходы которых соединены соответственно через анс1ЛО1 о-цифровые преобр азов.ателя (АЦП) 6 и 7 с оперативными запоминаидими устройствами (ОЗУ) 8 и 9, выходы которых через цифроаналоговые преобразователи(ЦАП) 10 и 11 и фильтры 12 и 13 нижних частоты (ФНЧ) соединены с первым и вторым выходами двухканального преоб разователя 2 част.оты. Первый и второй входы нуль-индикатора 14 подключены к .двухканальному преобразователю 2. Блок 15 фазовых сдвиговсощеряит дополнительный генератор 16, подклкг ченный к входак пересчетных блоков i и 18, выходка которых соединены с первым и вторым выходами блока 15, которые соединены с первым и вторым Управляющими входами двухканального

преобразователя 2. Первый и второй формирователи 19 и 20 включены соответственно меящу первым и вто рым выходами двухкзнальн:ого преобразователя 2 и перхТым и BTOPEJM преобр зователями 21 и 22 частоты, управляющие входы которых соединены с . выходом геитератора 23, вход которого соединен с.выходом фазового детектора 24, первый вход которого подклю чей к выходу второго преобразователя 22, а второй вход через делитель 25 частоты - к выходу первого формирователя 19. Измеритель.,26 интервалов времени включен меязду пер-вым и вторым преобразователями 2.1 и 22 и циф ровым отсчетным устройством (ЦОУ) 27.

Фазометр рабртает следующим образен. , - . .

Одно из выходных (апряжений. поступаетна умножитель 1 частоты, на выходе которого получают напряжение, умноженное по частоте по-отношё нию к входнсилу в п р,аз. Напряжение с выхода умножителя 1 поступает на вход формирователи 3,-на управляющие входы которого.подаются -сигналы управления от АЦП 6 и 7. Па,выходе . формирователя 3 получают стробирующие импульсы, сдвинутые один относи-тельно другого ija время

4t KTe;H- fcTe,-iav,

где тgx период входного-напряжения

V - л . 1 9 .

i - порядковый номер выборки.

Каждый из этих импульсов поступа ет на.входы блоков 4 и 5 стробирования и фикоирует в каходом канале фаэо метра мгновенные значения входных напряжений. Запоминаемые таким образом постоянные напрякения поступают на АЦП 6 и 7 .и дальше в эвде кодов на ОЗУ 8 и 9.:Очередной стробируюций импульс формируется после оконча ия процесса преобразования АЦП 6 и 7 постоянного напряжения ripeдьщущих выборок в кеды, занесения этих кодов в ОЗУ 8 и 9 и псдачи разрешаххцйх сигналов на входы формирователя 3. Таким образом производятся дискретиза я и квантование входных напряжений и запоминание кодов, Пропорционёшьных мгновенныкг значениям напряжений в дискретизации.

Если входные напряжения имеют .

ВД U,(); U.,t,

то блоксши 4 и 5 фиксируются соотт ветственно напряжения: . .

i-Цт ();

Hn,.

пред став л якнцие собой уровни постоянного напряжения. Пересчетными блоками 17 и 18 осуществляется последовательное циклическое считывание этих кодов с ОЗУ 8 и 9 и подача

их на ЦАП 10и 11, на выходах которых форми.руютс я переменные непрерывные напряжения. Основные гармоники этих напряжений U , U , выделенные фильтрами 12 и ГЗ и поступакщие на

нуль-индикатор 14, равны:

(

u,i Ei;s- K -l-- 2). .где 51д - круговая частота выходных напряжений пересчетных блоков 17 и 18f

V,t2 начальные фазу этих напряхсений.

Разность фаз выходных напряяений пересчетных блоков 17 и 13 изменяют при помощи управляющих сигнгшов нульиндикатора- 14 путем внесения COOTветствугадего временного сдвига момен- тов заполнения пересчетньк блоков 17 и 18. При достижения синфазности . напряжений на входе нуль-индикатора 14 значение измеряемого фазового сдвига V равно фазовому сдвигу напряжений пёресчетных блоков 17 и 18, которнлй подается в ЦОУ 27 в момент переполнения пересчетного блока 17.

Разрешаьяцая способность измерения фазового сдвига -определяется коэффициентом деления частоты Кд сигнала генератора 16 пересчетными блоками 17 и 18. Фазовый сдвиг выходных напряжений этих рхем может принимать дискретные значения

.,

-А

где N - целое число, принимаетцее значение от 1 до Кд.

Если , то разрешшзцая , способность фазометра равна 1. Нап ряжения; частоты f с фильтров 12 и

13 поступаьэт на первый и второй формирователи 19 и 20 коротких импульсов и далее на первый и второй . преобразователи 21 и 22 частоты, на вторые входы которых подается гармонический сигнал от генератора с частотой , где р - целое

число. больше. 2; -i частота сигналов на выходе первого и второго преобразователей 21и22.

Пусть на первые входы первого и второго преобразователей 21 и 22 поступают соответственно от фильтров 12 и 13 напряжения:

. 5in(u).); 1 1w 1 т

i.

fln(,

где fi, 2 начальные фазы напряжений и,, и,, а напряжение, поступающее от генератора 23 на вторые входы первого и второго преобразователей 21 и 22, равно

U3«U3n,(u;2tf%),

где начальная фаза напряжения U. Остаточное значение фазового сдвига напряжений U, U j .Elro Ю значение не превышает величины ди секрет а меры отсчета фазометра .На выходах первого и второго преобразователей 21 и 22 получают напряжения, основные гармоники которых соответственно рав-15 ньз: „II I f

1 /

) 20 1 /

- круговая частота сигналов на выходах первого и второго преобразовате- лей 21 и 22.25

Фазовый сдвиг напряжений U, и и2 V р (%-Чг )РДЧ«Из этого выражения ;вид но, что после преобразования частоты остаточное значение фазо.вого сдвига л подучено умноженным в -зп р раз. На фиг. 2 показаны эпюры напряжений , объясняющие работу первого

и второго преобразователей 21 и 22 для случая дч 90 и .

Интервал времени, пропорциональный умноженному значению фазового сдвига.pdV, определяется измерителем 26. Частоту сигналов , используемых для квантования этого интервала, выбирают из условия 1 оТр, где m - целое полржитель.ное число, равное количеству десятичных разрядов отсчета определения интервала. Для рассмотренного примера, когда дискрет меры равен 1°, а разрешающую способность фазометра необходимо иметь 0,01 , т-2. Для сохранения формы сигналов необходимо выполнять условие fj7/10F Делитель 25 доляен иметь коэффициент, деления частоты сигнала f. .t/ р , тогда на входы фазового детектора 24, управляющего частотой сигнала генератора 23, будут поступать равные по значению частоты.

Таким образом, использование в схеме фазометра дополнительного преобразования частоты и умножения при этом остаточного значения фазового сдвига позволяет повысить разрешающую способность фазометра на одиндва порядка без уменьшения быстродействия, а точность .измерения - в 3-5 раз за счет уменьшения ее зависимости от дискрета измерения.

ЦИФРОВОЙ ФАЗОМЕТР, содержащий блок фазовых сдвигов, цифровое отсчетнре устройство, двухканальный преобразователь частоты, умно-; житель частоты,и нуль-индикатор, первый .и второй входы которого соединены соответственно через первый и второй выходы двухканального преобразователя частоты с первой и второй входными шинагте фазометра, вход умножителя .частоты подключен к второй входной шине фазометра, а выход соединен с стробиругадим входом двухканального преобразователя частоты, первый и второй управляющие входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами блока фазовых сдвигов, дополнительный выход которого соединен с , первым входом цифрового отсчетного устройства, а вход - с выходом нуль-индикатора, отличающий. с Я тем, что, с целью повьциения точности и разреша1-аций способности, в него введены два формирователя, два преобразователя частоты, генератор, фазовый детектор, делитель ; частоты и измеритель интервалов времени, причем первый выход двухканаль ного преобразователя частоты через первый формирователь подключен к входам первого преобразователя частоты и дели(еля частоты, второй выход двухканального преобразователя частоты через последовательно соединенные второй формирователи и второй преобразователь частоты подключен к nepsbtti входам фазового детектора и -измерителя интервалов времени, высл ход делителя частоты с вторым входом фазового детектора, выход которого через генератор подключен к управлякядим входам первого и второго преобразователей частоты,, тактовый И управлягадий входы измерителя интервалов времени соединены соответственно с высокочастотным и дополнительным выходами блока фазовых сдвиО5 гов, а выход измерителя интервалов 4 ГС време-ни соединен с дополнительным входом цифрового отсчетного устройства. to 0:1

и