Устройство для измерения угла сдвига фазы синусоидальных напряжений Советский патент 1983 года по МПК G01R25/00 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано при построении цифровых фазометров.

Известно цифровое устройство для измерения угла сдвига фаз между опорными и исследуемым сигналами, со.держащее полосовой фильтр, аналогоцифровой преобразователь, множительное устройство, накапливающий сумматор, генераторы дискретных аргументов и амплитуд, устройство определения отношения, тригонометрические преобразователи и линии задержки 1 J.

Недостаток указанного устройства заключается в сложности конструкции из-за наличия в его структуре узлов различного функционального назначения. Для измерения устройством фазы исследуемого сигнала по отношению к опорному необходимы априорные значения о законах амплитудной и фазовой модуляций исследуемого сигнала и его частоте., Отклонение закона амплитудной или фазовой модуляции исследуемого сигнала от ожидаемой и изменение частоты исследуемого сигнала снижают точность измерения угла сдвига фазы между сигналами.

Наиболее близ-ким по технической сущности к предлагаемому является суммо-разностный фазометр инфранизкой частоты, содержащий задатчик измерительного времени, два реостатных аттенюатора, отсекатель положительной полуволны суммарного- напряжения, интегратор, регистрирующий прибор. Входами устройства являются шины опорного и исследуемого напряжений, которые через реостатные аттенюаторы соединены с входами сумматора двух напряжений. Шина опорного напряжения подключена к входу задатчика измерительного времени. Выход сумматора двух периодических напряжений через отсекатель положительной полуволны суммарного, напряжения соединен с интегратором, а выход интегратора - с входом регистрирующего прибора. Управляющий вход задатчика измерительного времени соединен с внешним командным сигналом, источником которого в устройстве является нопка. Управляющий выход задатчика измерительного времени, обуславливающий длительность интегрирования суммарного напряжения, соединен с интегратором f 2 .

Анализ известного устройства показывает, что измерение фазы между опорным Uor, и исследуемым U, напряжениями возможно при выполнении условий

(1)

и

ос

(2)

UJ

где 1/RC - постоянная интегратора известного устройства.

Для выполнения условия (If необрсоДимо с помощью дополнительных средств (например, с помощью амплитудного -вольтметра ) произвести измерение амплитуды исследуемого сиг.напа, а далее с помощью аттенюаторов опорного и исследуемого напряжений обеспечить равенство их ампли0 туд. Разделение по времени процедур измерения исследуемого сигнала, согласования с амплитудой опорного . сигнала и собственного измерения фазы между двумя сигналами обусловли5 вает низкое быстродействие известного устройства. .Невыполнение условий (1) и (2) снижает точность измерения . фазы между двумя сигналами.. Дополнительным фактором, снижакадим точность измерения фазы между двумя сигналами, является погрешность, обусловленная действием смещения нулевых линий периодических сигналов и действием синфазной помехи на входы сумматора известного устройства. Например, при смещении нулевых линий периодических сигналов, вектор напряжения на выходе сумматора будет равен

2(Uo + Uoo)cos Ч/2, (3)

DO -напряжение смещения нулевых линий периодических сигналов.

Наличие составляющей 2Uo в сумMaj HOM напряжении Uj- повлечет за

5 собой погрешность вычисления фазы Ч. Цель изобретения - повышение быстродействия устройства и точности измерения угла сдвига фазы синусоидальных напряжений.

0 Поставленная цель достигается тем, что в устройство.для измерения угла сдвига фазы синусоидальных напряжений, содержащее задатчик измерительного времени, одним входом со5 единенный с шиной опорного напряжения, а вторым - с внешним командным сигналом, интегратор, соединенный с управляющим выходом задатчика измерительного времени, введены вычитатель двух напряжений, аналого-цифровой преобразователь, вычислительный блок, два двухполупериодных выпрямителя, два интегратора и ключевые элементы, причем первый вход вычителя двух напряжений и вход первого

5 двухполупериодного выпрямителя соединены с шиной опорного напряжения, второй вход вычитателя двух напряжений и вход второго двухполупериодного выпрямителя соединены с-шиной ис0 следуемого напряжения, а выход вычитателя двух напряжений соединен с входом первого интегратора через первый ключевой элемент, при этом выход первого двухполупериодного выпрями5 теЛя соединен с входом первого дополнительного интегратора через вто PQfl ключевой элемент, а выход второго двухполупериодного выпрямителя с входом второго дополнительного ин тегратора через третий ключевой эле мент, выход первого интегратора соединен с первым аналоговым входом аналого-цифрового преобразователя через четвертый ключевой элемент, выход первого дополнительного интег ратора соединен с вторым аналоговым (ВХОДОМ аналого-цифрового преобразователя через пятый ключевой элемент выход второго дополнительного интегратора соединен с первым аналого вым входом аналого-цифрового прербр зователя через шестбй ключевой элемент, информационный выход аналогоцифрового преобразователя соединен с информационным входом вычислитель ного блока, а управляющий вход ана лого-цифрового преобразователя и управляющие входы ключевых элементо соединены с выходами задатчика измерительного времени. На чертеже изображена структурна схема предлагаемого устройства. Устройство для измерения угла сдвига фазы синусоидальных напряжений содержит задатчик 1 измерительного времени, вычитатель 2 двух напряжений, интегратор 3, аналого-циф ровой преобразователь (АЦП 14, вычислительный блок 5, ключевые элементы 6 и 7, двухполупериодный вы-/ прямитель 8 и первый дополнительный интегратор 9,. ключевые элементы 10 и 11, двухполупериодный выпрямитель 12, второй дополнительный интеграто 13 и ключевые элементы 14 и 15, Входами устройства являются шины опорного и исследуемого напряжений. Шина опорного напряжения соединена с задатчиком 1, с первым входом вычитателя 2 двух напряжений и с входом двухполупериодного выпрямителя 8, а шина исследуемого напряжения с вторым входом вычитателя 2 двух напряжений и с входом двухполупериодного выпрямителя 12, Выход вычитателя 2 двух напряжений, через кл чевой элемент 6. подключен к входу -интегратора 3, Выход двухполупериод ного вьшрямителя 8 через ключевой элемент 10 соединен с входом интегратора 9. Выход двухполупериодного выпрямителя 12 через ключевой элемент 14 подключен к входу интегратора 13. Выходы интеграторов 3 и 13 через ключевые элементы 7 и 15 соединены с первым входом АЦП 4, являющимся входом измеряемого напрягжения. Выход интегратора 9 через ключевой элемент 11 соединен с вторым входом АЦП 4, являкяцимся входом эталонного напряжения. Цифровой выход АЦП 4 подключен к входу блока 5 Управляющий вход задатчика 1 соединен с блоком 5, который является также источником командного сигнала. Управляющие входы ключевых элементов 6,7,10,11,14,15 и АЦП 4 подключены к. управляющим выходам задатчика 1, Задатчик 1 по моментам перехода опорного напряжения через нулевой уровень формирует последовательность управляющих работой ключевых элементов 6,7,10,11,14 и 15 и запуском АЦП 4 сигналов в соответствии с алгоритмом функционирования предлагаемого устройства. Время замкнутого состояния ключевых элементов 6,10 и 14 определяется полуп риодом переменного, напряжения, а время замкнутого состояния ключевых элементов 7,11 и 15 - временем аналого-цифрового преобразования сигналов АЦП 4, Вычитатель 2 двух напряжений реализован по схеме усилителя с дифференциальными симметричными (незаземйенными J входами на трех операционных усилителях, Такое построение , устройства.вычитания обеспечивает ему подавание синфазной помехи при уровнях помехи, значительно превышающей полезный сигнал. Интеграторы 3,9 и 13 реализованы по традиционной схеме на операционных усилителях с RC-цепями. Номина.иы сопротивлений R и емкостей с в цепях обратных связей операционных усилителей идентичны (обеспечивается их относительное равенство ), Реализация двухполупериодных выпрямителей основана на известных схемотехнических решениях. ЛЦП 4 в предлагаемом устройстве производит преобразование аналоговых напряжений в цифровые эквиваленты по методу последовательного приближения (поразрядного кодирования). Аппаратурная реализация АЦП основана на известных решениях, В качестве блока 5 использована одноплатная микро-ЭВМ Электроника K1-2Q на базе микросхем серии К580, имеющая в своем составе процессорное устройство, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) , порт вводавывода, В ячейках ПЗУ защита программа алгоритмического вычисления процессорным устройством угла из обратной тригонометрической функции arc COS , С помощью порта ввода-вывода обеспечивается передача информации блока 5. с АЦП 4 и задатчика 1, Устройство для измерения угла сдвига фазы синусоидальных напряжений работает следующим образом, В исходном состоянии все ключевые элементы разомкнуты. Начало измерения угла сдвига фазы задается задатчику 1 командным импульсом с блока 5, Задатчик 1 в момент перехода опорного напряжения через нулевой

уровень переводит ключевые элементы 6,10 и 14 в замкнутое состояние на время равное периоду переменного напряжения. Напряжения с выхода вычитателя 2 и с выходов выпрямителей 8 и 12 поступают соот:;ветственно на 5 интеграторы 3,9 и 13 и интегрируются в течение времени, определяемого замкнутым состоянием ключевых элементов 6,10 и 14. По истечении времени равного полупериоду переменного напря- Ю жения задатчик 1. переводит ключевЕле элементы 6,10 и 14 в разомкнутое состояние. По окончании времени интегрирования напряжения на выходах интеграторов 9,13 и 3 соответственно 5 равны:

Ч,/ш+Т/2 r t(a+7l2

j|U(t|(dt-j K, 20

4,/юЧ- /ш

2 и,

m on

(41

ujp

25

)+r/2 qJw+t/

IVWH j

.)H

.,/u;

30

2U

(Я

tn ис

Ulp

ч,/to + т/2

. 2

Kn.|-V)I (

топ- тйс

35 (6)

где и „ и и .-,, - амплитудные значеm оп 1п V.V. . соответственно

опорного UQ, (t) и исслелуемого U(-,(-t) напряжений;ш - частота; Т - период переменных напряжений; .

I/ - измеряемый угол сдвига фазы между двумя напряжениями;I/ - начальная фаза переменного напряжения; . Р - постоянный коэффициент

интегрирования (у интеграторов коэффициенты равны) Далее задатчик 1 переводит в замкнутое состояние ключевые элементы 11 и 15, тем самым подключая выходы интеграторов 9 и 13-к аналоговым входам АЦП 4. По сигналу с задатчика 1, происходит первый запуск АЦП 4, и в результате преобразования на выходе АЦП 4 будет сформирован двоичный цифровой код .

UmMc()

N,

и„, on 5

65

где п - .число двоичных разрядов .

.АЦП 4;

S - ПОСТО.ЯННЫЙ коэффициент, зав„п . сящий от типа АЦП 4;

N - максимальный цифровой экви валент аналого-цифрового преобразования измеряемого напряжения в единицах эталонного напряжения. Код N засылается в память блока 5, Далее зада.тчик 1 переводит клю чевой элемент 15 в разомкнутое состояние, а ключевой элемент 7 - в замкнутое. По сигналу с задатчика 1 происходит второй запуск АЦП 4, и в результате преобразования на выходе АЦП 4 будет сформирован двоичный цифровой код

. (.)(

(J

m on

)

Ц ,,.,, Н„.

m ИС

monX .

(8)

Код Nj пересылается в блок 5, a задатчик 1 переводит ключевые элменты 7 и 11 в разомкнутое состояние. ,

С учетом выражений (7) и (8) блок 5 производят вычисление искомого угла Ч из выражения

N m - N2

Hsarccos

N.

На .этом процесс измерения угла фаз двух напряжений заканчивают.

Благодаря введению в устройство для измерения- угла сдвига фазы двух напряжений вычитателя двух напряжений, результат измерения угла сдвига, фазы двух напряжений не зависит от наличия постоянной составляющей смещения нулевого уровня опорного и исследуемого напряжений и от воздействия синфазной помехи на вход устройства, что обеспечивает предлагаемому устройству большую точность по сравнению с прртотипом.

Введение в структуру предлагаемого устройства двухполупериодных выпрямителей, дополнительных интеграторов и АЦП позволяет производить измерения угла сдвига фазы, двух напряжений независимо от соотношения амплитуд опорного и исследуемого напряжений и независимо от частоты периодических сигналов, что обеспечивает предлагаемому устройству большую точность по сравнению с прототипом при вариации соотношения амплитуд напряжений и частоты переменного напряжения и более высокое быстродействие, так как отпадает необходимость-, в проведении дополнительных процедур изМерения амплитуды исследуемого напряжения и частоты периодических сигналов.

УСТРОЙСТЁО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛА СДВИГА ФАЗ СИНУСОИДАЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ, содержащее задатчик измерительного времени, одним входом соединенный с шиной опорного . напряжения, а вторым - с внешним командным сигналом, интегратор, соединенный с управляющим выходом задатчика измерительного времени, . о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения быстродействия устройства и трчности измерения : угла сдвига фазы синусоидальных ,на-г . Пряжений, в него дополнительно введены вычитатёль двух напряжений,. аналого-цифровой преобразователь, .вычислительный блок, два двухполупериодных выпрямителя, два интегр.атора и, ключевые элементы,.причем первый вход вычитателя Двух напряжений и вход первого двухполупери одного выпрямителя соединены .с шиной опорного напряжения, второй вход вычитателя двух напряжений и вход второго двухполупериодного выпрямителя соединены с шиной исследуемого напряжения, а выход вы JИтaтeля двух напряжений соединен с входом первого интегратора через первый ключевой элемент, при этом выход первого двухполупериодного выпрямителя соединен с входом первого дополнительного интегратора через второй ключевой элемент, а выход второго двухполупер1юдного выпрямителя - с входом второго дополнительного интегратора через третий ключевой элемент, выход первого интегратора соединен с первым аналоговым входам аналого-цифрового преоб(О разователя через четвертый ключевой элемент, выход первого дополнительного интегратора соединен с вторым аналоговым входом аналого-цифрового преобразователя через пятый ключевой элемент, выход Звторого дополнительного, -интегратора соединен с первым аналоговым, входом аналого-цифрового преобразователя.через шестой ключе05 вой .элемент, информационный выход 4 ГчЭ ISD аналозго-цифрового преобразователя соединен с информационным входом вычислительного блока, а управляйщий вход аналого-цифрового преобразователя и управляющие входы ключеЧ вых элементов соединены с выходами задатчика измерительного времени.