Устройство для отображения векторных диаграмм на экране ЭЛТ Советский патент 1984 года по МПК G09G1/12 

вертого и шестого коммутаторов, выходы суммирующих усилителей являются первым и вторым выходами устройства.

У :ТРОЙСТВО ДЛЯ ОТОБРАЖЕНИЯ ВЕКТОРНЫХ ДИАГРАММ НА ЭКРАНЕ ЭЛТ, содержащее два амплитудных детектора, вход первого из которых является первым входом устройства, первый измеритель сдвига фаз, входы которого соединены с входами амплитудных детекторов, а выход, - с входом первого синусно-косинусного преобразователя, выходы которого соединены с первыми входами nepBdro и второго умножителей, вторые входы которых соединеныс выходом первогокоммутатора, элемент сравнения, выход которого соединен с управляющим входом первого коммутатора, второй коммутатор, о т л и ч а ю щ е е С я тем, что, с целью расширения области применения устройства путем отображения амплитудно-фазовых соотношений информационных сигналов в виде топографической диаграммы, оно содержит дифференциальный усилитель, третий амплитудный детектор, второй измеритель сдвига фаз, четыре коммутатора, ансшого-цифровой преобразователь, третий и четвертый умножители, второй синусно-косинусный преобразователь, генератор пилообразного напряжения, блок выделения отрицательного фронта, триггер управления и два суммирующих усилителя, причем входы дифференциального усилителя являются и третьам входами устройства, а выход соединен с входом второго амплитудного детектора, первый вход второго измерителя сдвига фаз соединен с первым входом дифференциального усилителя и входом третьего амплитудного детектора, выход которого соединен с первыми входами третьего и четвертого умножителей, вторые входы которых соединены с выхЬдами второго синусно-косинусного преобразователя, вход которого соединен с выходом второго измерит.еля сдвига фаз, второй вход которого соединен с входом первого амплитудного детектора и вторым входом первого измерителя сдвига фаз, выходы первого и i второго амплитудных детекторов соединены с входами аналого-цифрового (Л С преобразователя и с соответствующими входами второго коммутатора, выход которого соединен с первым входом элемента сравнения, первый вход блока индикации соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, второй вход - с выходом первого измерителя сдвига фаз, выход геуератора пилообразного напряжения соединен с вторым входом элемента сравнесо ния, с первым входом первого коммутатора и через блок выделения отрица-ч1 тельного фронта - с входом триггера 00 управления, выход которого соединен с управляющими входами второго, третьего, четвертого, пятого и шестого коммутаторов, выходы первого, второго, третьего и.четвертого умножителей соединены с первыми входами третьего, четвертого., пятого и шестого коммутаторов соответственно, вторые входы первого, четвертого, пятого и шестого коммутаторов объединены, второй вход третьего коммутатора соединен с .выходом первого коммутатора, входы первого суммирующего усилителя соединены с выходами третьего и пятого коммутаторов, а входы второго суммирующего усилителя - с выходами чет

Изобретение Относится-к средствам обучения и наглядным пособиям для учебных целей и предназначено для отображения на экране осциллографа в виде векторной топографической диаграммы комплексных амплитуд Uc,o и

и

t

се синусоидальных напряжений U,

Uo, и Ujg t (u)t + o ) .

Векторные ди$грам1 и являются наиболее удобной для учебных целей формой представления напряжений в цепях с синусоидальными источниками энергии и позволяют наглядно представить амплитудно-фазовые соотношения между напряжениями, проиллюстрироват выполнение законов Кирхгофа,

Известны приборы дляизмерения амплитудных и действующих значений синусоидальных сигналов и приборы для измерения угла сдвига фаз между двумя синусоидальными напряжениями. Измеренные с помощью этих приборов амплитуды и фазы напряжений позволяют построить векторные диаграммы I.

Однако процесс построения являетс трудоемким и требует использования чертежных принадлежностей.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство для отображения векторных диаграмм на экране ЭЛТ, содержащее измеритель амплитуды и измеритель сдвига фаз, первые и вторые входы и выходы которых являются соответственно первыми и вторыми входами и выходами устройства, элемент сравнения, выход которого соединен с первым входом измерителя амплитуды, генератор импульсов, переключатель, блок выделения модуля, вход которого соединен с вторым входом измерителя сдвига фаз, сумматор, первый вход которого соединен с выходом измерителя сдвига фаз, счетчик, входы которого соединены с выходами генератора импульсов и переключателя, а выход - с вторым входом сумматора, первый коммутатор, информационные входы которого соединены с выходами сумматора и счетчика, а управляющий вход - с выходом элемента сравнения, сину.сно-косинусный преобразователь, вход которого соединен с выходом первого коммутатора, второй коммутатор, информационные входы которого соединены соответственно с первым входом измерителя амплитуды и с выходом блока выделения модуля, а управляющий вход - с выходом элемента сравнения, два умножителя, первые входы которых соединены с выходом второго коммутатора,

вторые входы - с выходами синуснокосинусного преобразователя, а выходы являются соответственно третьими четвертым выходами устройства 2. Известное устройство осуществляет

0 измерение угла сдвига фаз ot между синусоидальными напряжениями )

U sinuft и и.се t U,pg si (tut + ot), измерение амплитудных значений 0, и иeg и отображение на экране ЭЛТ век5 торной диаграммы в полярной системе координат. Таким образом, при отображении комплексной амплитуды Uj-g не учитывается (условно принимается за ноль) значение комплексного потенциала , что существенно ограничивает

его демонстрационные возможности. В , частности, проверяя выполнение вто. рого закона Кирхгофа, экспериментатору приходится контролировать на раг венство нулю сумму векторов, выходящих из начала координат. При большом числе векторов (практически более ; четырех) реализация этого контроля трудоемка и требует Дополнительных графических построений,.

Цель изобретения - расширение области применения устройства путемотображения амплитудно-фазовых соотношений информационных сигналов в ви5 де топографической диаграмма.

Указанная цель достигается тем, что в устройство для отображения векторных диаграмм на экране ЭЛТ, содержащее два амплитудных детектора, вход ,. первого из которых является первым входом устройства, измеритель сдвига фаз, входы которого соединены с входами амплитудных детекторов, а выход - с входом первого синусно-косинусного преобразователя, выходы

которого соединены с первыми входами

первого и второго умножителей, вторые входы которых соединены с выходом первого коммутатора, элемент сравнения, выход которого соединен с уп50 равляющим входом первЬго коммутатора, второй коммутатор, введены дифференциальный усилитель, третий амплитудный детектор, второй измеритель сдвига фаз, четыре коммутатора, аналого55 Цифровой преобразователь, третий и четвертый умножители, второй синуснокосинусный преобразователь, генера ор пилообразного напряжения, блок выделения отрицательного фронта, триггер управления и два суммирующих усилителя, причем входы дифференциального усилителя являют;ся вторым и третьим входами устройства, а выход соединен с входом второго амплитудного детектора, первый вход второго измерителя сдвига фаз соединен, с первым входом дщфФеренциального усилителя, и с входом третьего амплитудного детектора, выход которого соединен с первыми входами третьего и четвертого умножителей, вторые входы которых соединены с выхода ми второго синусно-косинусного преобразователя, вход которого соединен с выходом второго измерителя сдвига фаз, второй вход которого сое динен с входом, первого амплитудного детектора и вторым входом первого из мерителя сдвига фаз, выходы первого и второго амг1литудных детекторов сое динены с входами аналого-цифрового п еобразователя и с соответствующими входсши второго коммутатора, выход которого соединен с первым входом эл мента сравнения, первый вход блока и дикации сбединен с выходом аналогоцифрового преобразователя, второй вход - с выходом первого измерителя сдвига фаз, выход генератора пилообразного напряжения соединен с вторым входом элемента сравнения, с первым входом первого коммутатора и через . блок выделения отрицательного фронта с входомтриггера управления, выход которого соединен с управляющигии вхо дами ёторого, третьего, четвертого, пятого к шестого коммутаторов, выход первого, второго, третьего и четвертого умножителей соединены с первыми входами третьего, четвертого, пятого и шестого коммутаторов соответст1венно, вторые входы первого, четвертого, пятого и шестого коммутаторов объединены, второй вход третьего ком мутатора соединен с выходом первого коммутатора, входы первого суммирующего усилителя соединены с выходами третьего и пятого коммутаторов, а входы второго суммирующего усилителя с выходами четвертого и шестого коммутаторов, выходы суммирующих усилителей являются первым и вторым выход ми устройства. На фиг. 1 представлена структурна схема устройства для отобразкения век торных диаграмм на экране; ЭЛТ; на фиг. 2 - временные диаграммй, иллюст рирующие формирование -выходных сигна лов устройства; на фиг. 3 - векторная топографическая диаграмма напряжений. Устройство для отображения вектор ных диаграмм на экране. ЭЛТ-содержит дифференциальный усилитель 1, входы которого подключены к источнику сигнального напряжения Осиг с (t). Выход усилителя 1 соединен с входом второго амплитудного детектора 2 и первым входом первого измерителя 3 сдвига фаз, выход которого связан с входом блока 4 индикации и входом первого синусно-косинусного преобразователя 5. Второй вход усилителя 1 подключен к первому входу второго измерителя 6 сдвига фаз, связанного .своим выходом с входом второго синусно-косинусного преобразователя 7, и к входу третьего амплитудного детектора 8. Вход первого амплитудного детектора 9 соединен с источником опорного напряжения U (t| U«e(t) и вторыми входами первого 3 и второго 6 измерителей сдвига фаз. Выходы амплитудных детекторов 2 и 9 соединены с соответствующими входам двухканального аналого-цифрового п зеобразователя 10, связанного своим выходом с входом блока 4 индикации, и с информационными входамивторого коммутатора 11, выход которого подключен к первому входу элемента 12 сравнения. Генератор 13 пилообразного напряжения подключен своим выходом к второму входу элемента 12, сравнения, к первому информационному входу .лервОгр кбммутатора 14 и .через блок 15 выделения отрицательного фронта к входу триггера 16 управления, выход которого связан с управляющими входами коммутаторов 11, 1720. Перовые и вторые выходы синуснокосинусных преобразователей 5 и 7 соединены соответственно с первыми входами умножителей 21-24, а выходы последних с первыми входами коммутаторов 17-20. Выход элемента 12 связан, с управлдаощим входом первого коммутатора 14, вь1ход которого подключен к вторым входам первого 21 и Второго 22 умножителей. Выход амплитудного детектора 8 соединен с вторыми входами третьего 23 и четвертого 24 умножителей. Входы первого суммирующего усилителя 25 подключены соответственно к выходам коммутаторов 17 и 19, а входы второго суммирующего усилителя 26 - к выходам коммутаторов 18 и 20, причем вторые входы коммутаторов 1720 объединены. Выходы усилителей 25 и 26 соединены с вкояаит X и Y осциллографа. .. Устройство осуществляет измерение угла сдвига фаз ct между синусоидальными напряжениями Uq(t) и UCB (tl UcgSin (u)t +ct), измерение амплитудных значений U и U, и отображение на экране ЭЛТ комплексных ам,дд и Усе виде векторной Топоплитуд и графической диаграм Рассмотрим работу устройства при реализаций перечисленных функций. При построении векторных топогра фических диаграмм в исследуемой схе ме выбирается базовый узел О, потен циал которого принимается за ноль. этим узлом соединяется общая шина устройства. Измерения потенцалов ос Тсшьных узлов производятся относите но базового. Отсчет фазовых сдвигов осуществляется относительно фазы по тенциала произвольно/с выбираемого узла а, т.е. Чо, Ч, е. Напряжение Uo, - Ч-о c, U6o5inU)t наз вается опорньам. Выделение величины UO,Q производится амплитудным детекTog OM 9 . Сигнальное напряжение ( t св5 снимается между некоторыми узлами с и в с пом цдью дифференциального усилителя 1, а выделение его амплитуды Uce осуществляется амплитудным детектором 2, С помощью аналого-цифрового преобразователя 10 величины Uyj, и преобразуются в коды и индицируются бл ком 4. Измеритель 3 сдвига фаз фиксирует фазовый сдвиг oi между сигнал ным и опорным напряжениями. Для ото браженяя вектора сигнального напряжения топографической форме нео ходимо иметь координаты его начальной точки, т.е. комплексный потенци ал . . р D Измерение величин Чц и /5 осуществляется амплитудным детектором 8 измерителем 6 Фазового сдвига. Исходными данными для формирования изображения топографической диаграммы являются и ei, Чв и р Основой для получения необходимых на пряжений разверток U;( и Uy служит пилообразное напряжение e(t)(фиг.2а) вырабатываемое генератором 13, Импульс, генерируемый блоком 15 во вре мя отрицательного фронта напряжения e(t), меняет состояние триггера 16 управления, который работает в счетном режиме и управляет очередностью формирования изображений векторов . .о и сеПри нулевом значении Выхода Q три гера 16 формируются напряжения U и И длз изображения вектора, (Г при единичном - для изображения вектора .UCB (фиг. 26) . Пилообразн.ое напряжение e(t) элементом 12 сравнения сравнивается . с напряжением и , транслируемым ком мутатором 11. Коммутатор управляется сигналом Q с выхода триггера 16 по закону и Р О при Q 1(1) Выходной сигнал схемы сравнения , является управляющим для коммутатора 14, напряжение (фиг. 2в) на выходе которого определяется выражением e(t), при ,e(t) е (t),при U,e(t) Сигнал ep(t) умножителями 21 и 22 умножается соответственно на соэоС.и Яп et , вычисляемым синусно-косинус-. ным преобразователем 5. Следовательно, на выхдце умножетелей 21 и 22 формируются напряжения: ep(t)coseC и ep(t)sinot. Причем на основании формулы (1) и (2) при амплитуда е равна и,, а при Q 1 - Умножители 23 и 24 умножают напряжение Ча с выхода амплитудного детектора 8 на вычисляемые синусно-косинусным преобразователем 7 тригонометрические ФУНКЦИИ созри sinp соответственно. Таким образом, умножители 23 и 24 осуществляют преобразование координат начальной точки вектора Up- из полярной системы в прямоугольную (фиг. 2 Г, д) (% г) - (Vgcos, 4g sinp) Коммутаторы 17-20 переключаются игналом с выхода триггера 16 управения: при Q 1 коммутаторы пропусают на выходы сигналы с первых вхоов, а при Q О - сигналы с вторых ходов. Следовательно, в интервале диничного состояния триггера 16 на ыходах коммутаторов 17-20 формирутся напряжения ep(t) -cosaC ; ep(t)Sinot ; и 19 Чб. 20 HeSi ЛВ этом случае напряжение на суг 0|4ирующих усилителей 25 и 26 меют вид (фиг. 2 е,ж) и и„+ и,, ep(t)cos(y: + Vgcosp ; Uy и g+ 20 Sp (t) sin o( Чр sin /3. Напряжения U и U,, подаются на ходы X и Y .осциллографа, так как ри Q 1 амплитуда е p(t) равна U. , а экране ЭЛТ высвечивается вектор, ачало которого смещено в точку /gcos /J, Чр , модуль равен , угол с осью ОХ составляет величину d (фиг. 3) . При нулевом состоянии треггера 16 а выходах комлутаторов 17-20 создатся система напряжений U,ep(t),. . i6 19 20 ОВ этом случае напряжения на выхо дах суммирующих усилителей 25. и 26 имеют вид (фиг, 2е, ж) х UIT- Ui9- ep(t)f . i8 20 ОПоскольку при Q амплитуда равна Уде, на экране ЭЛТ создается изображение выходящего из начала ко ординат, горизонтально ориентирован ного вектора, модуль которого равен Uao .(фиг. 3). Таким образом, в течение нулевог полупериода сигнала Q на экране ЭЛТ создается изображение вектора (i, в течение единичного полупериода изображение вектора Ucg. Если часто управляющего сигнала Q превышает 20 глаз наблюдателя не воспринимает вр менного разделения формирования изображений. В каждом полупериоде сигнала Q выполняется второе соотношение сист мы (2), так как при правильном выб ре пре;;5ела измерений гшплитуды 1) и.- не превосходят амплитуды пилоо С момента преразного напряжения .(t) величины вышения сигналом е Uce( Uoij) и до конца единичного (нул вого) прлупериода напряжения U, и сохраняют постоянные значения и ifgCOS(J(0) ; . и ifg sinp(O) . Следовательно начальные точки ве торов UCB и Upij, на отображаемой диаграмме отмечаются яркЬ светящимися точками. Подключив входы аи О устройства к одному из элементов исследуемой схемы и подавая на входы усилителя 1 последовательно напряжения со всех остальных элементов, можно получить полную векторную топографи ческую диаграмму. Иллюстрация выполнения второго закЬна Кирхгофа с помощью векторной топографической диаграммы отличается повышенной наглядностью: вектора напряжений элементов схемы, образуюащх контур, составляют замкнутый многоугольник. Так как последовательность векторов в многоугольнике однозначно соответствует последовательности элементов контура, векторная топографическая диаграмма отражает структуру исследуемой схемы. Изготовлен макетный образец уст- ройства для отображения векторных диаграмм на экране ЭЛТ. Макет позволяет в наглядной форме представить амплитудно-фазовые соотношения в линейг ных цепях переменного тока, в 2-3 раза сокращает время выполнения лабораторных работ, исключает чертежные работы при построении векторных диаграмм. Изготовленный макет устройства имеет следующие основные характеристики: точность измерения амплитуд напряжений 1,5%; точность измерения фазового сдвига диапазон амплитуд исследуемых напряжений 1-300 В; частотный диапазон 30-10000 Гц; потребляемая мощность 10 Вт (220 в/50 Гц) габариты 180x200x110 мм. В качестве базового объекта вьАбран серийно выпускаемый векторный вольтметр ФК2-12, предназначенный для измерения действующих значений синусоидальных напряжений и угла сдвига фаз между ними. . Технические преимущества изобретения заключаются в расширении класса решаемых задач за счет построения векторных топографических диаграмм напряжений, уменьшения весогабаритных характеристик и потребляемой нрсти. Цифровая форма представления результатов измерений в предлагаемом устройстве уменьшает погрешности считывания , обеспечивает возможность сопряжения Go средствами цифровой вычислительной техники.

Ifc8

fcit}

Mf)