Фазоизмерительное устройство Советский патент 1984 года по МПК G01R25/00 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения сдвига фазы мезкду двумя электрическими сигналами путем реверсивного счета циклов. Известно фазоизмерительное устро ство с рейерсивньм счетом циклов, содержащее два блока преобразования фазы, включающие по одному фаэоаналоговому преобразователю в оптическом, диапазоне частот, одному триггеру Шитта и паре формирователей счетных импульсов каяэдый, фазосдвигакицую цепь, блок пространствен но-временного разделения счетных импульсов, реверсивный счетчик с ин дикатором нулевого состоянияjтриггер знака с узлом управления и формирователь установки нуля 1 . Недостаток этого устройства - ма лая разрешающая способность реверсивного счета циклов, составляющая четверть периода. При применении, например, в лазерном измерителе перемещений это устройство позволЯет производить отсчеты перемещения через каждую четверть периода длины волны лазерного излучения, что в ря случаев может оказаться недостаточным. Иявестно фазоизмерительное устройство с реверсивным счетом циклов содержащее блоки преобразования фаз с двумя потенциальными и двумя импульсными выходами каждьм, один из которых соединен с двумя источниками входных сигналов непосредственно, а другой - с первым источником непосредственно, а с вторым через фазосдвигающую цепь со сдвигом Jr/2, блок пространственно-временного разделения импульсов, соеди ненный с выходами блоков преобразования фазы, реверсивный счетчик с индикатором нулевого состояния, подключенный по двум входам к выходам блока пространственно-временного разделения импульсов, и по третьему - к формирователю установки нуля, узел управления, соединенн с потенциальными выходами блоков преобразования фазы и выходом индикатора нулевого состояния, триггер знака, включенный между узлом управ ления и блоком пространственно-временного разделения импульсов, трехвходовой элемент ИЛИ, один из входов которого подключен к формирователю установки нуля, а выход 06 2 к узлу управления, и элемент НЕ,, подключенньй к индикатору нулевого состояния 21, Недостатком известного устройства является малая разрешающая способность реверсивного счета циклов, составляющая-четверть периода. Это ограничивает его применение, например, в лазерном динамометре, где требуется производить измереййе перемещений, составляющих малые доли волны лазерного излучения. Одновременное же измерение фазового сдвига в пределах цикла при помощи вольтметра вызывает трудности при эксплуатации . Цель изобретения - повышение разрешающей способности реверсивного счета циклов. Эта цель достигвается тем, что в фазоизмерительное устройство, содержащее два блока преобразования фазы, первые входы которых соединены с выходом первого источника входных сигналов, второй вход первого блока преобразования фазы соединен с выходом второго источника входных сигналов непосредственно, а второй вход второго блока пр1еобразования фазы соединен с ним через фазосдвигающую цепь, первые выходы первого и второго блоков преобразования фазы подключены к первой группе входов блока пространственно-временного разделения имдульсов, два первых выхода которого соединены с входами реверсивного счетчика, на выходе которого включен индикатор нулевого состояния, выход которого соединен с входом элемента НЕ и первым входом блока управления, другие четыре входа которого подключены к вторым выходам блоков преобразования фазы, а пятый вход соединен с выходом элемента ИЛИ, выходы блока управления подключены к входам установки и сброса триггера знака, выходы которого подключены к вторым входам блока пррстранственнот временного разд(гления импульсов, вход установки нуля реверсивного счетчика соединен с первым входом элемента ИЛИ и выходом формирователя установки нуля, дополнительно введены две фазосдвигающие цепи и два блока преобразования фазы, первые входы которых соединены с входом первого источника входных сигналов, а вторые входы через дополнительные Фазосдвигающие цепи соединены с входом второго источника входных сигна лов, второй и третий входы элемента ИЛИ подключены к дополнительным выходам блока пространственно-временного разделения импульсов к третьему входу которого подключен выход элемента НЕ, причем первые выходы дополнительных блоков преобраэования фазы подключены к четвертой группе входов блока пространственно-временного разделения импульсов, а вторые выходы соединены с остальными входами блока управления . На фиг.1 изображена структурная схема фазоизмерительного устройства с реверсивным счетом циклов; на фиг.2 - вариант вьтолнения схемы блока пространственно-временного ра деления импульсов; на фиг.З - вариант выполнения схемы блока управления; на фиг.4 - вариант вьтолнени схемы блока преобразования фазы. Фазоизмерительное устройство содержит блоки 1-4 преобразования фазы, в кажцом из которых имеются два импульсных и два потенциальных выхода, фазосдвигающие цепи 5,6 и 7 со сдвигом фазы соответственноjT/2, Jr/4 и 30f/4, блок 8 пространственновременного разделения импульсов, ре версивный счетчик 9 индикатор 10 нулевого состояния, блок t1 управления, триггер 12 знака, формирователь 13 установки нуля, злемент ИЛИ 14, элемент НЕ 15, источники 16 и 1 входного сигнала. Епок 8 (фиг.2) содержит две пары элементов 4И-ИЛИ 18 и 19, подключен ные соответственно к выходам блоков t-4 преобразования фазы, два элемента И 20 и 21, два элемента ИЛИ 2 и 23 и два элемента 2И-ИЛИ 24 и 25. Блок 11 управления (фиг.З) содер жит два элемента 4И-ИЛИ 26 и 27 с трехвходовыми элементами И и два трехвходовых элемента И 28 и 29. Один из блоков 1-4 преобразовани фазы (фиг.4) содержит фазоаналоговы преобразователь 30, триггер Шмитта 31 и два формирователя 32 и 33 импульсов. .Фазоизмерительное устройство работает следующим образом. На входы 1-4 преобразования фазы поступают непрерьгоные гармонические сигналы, причем на вторые входы блоков 2,3 и 4 сигналы поступают сдвинутыми соответственно на Jr /2, 06 4 jr/4 и 3Jf/4 фазосдвигающими цепями 5,6 и 7. Напряжения на выходах фазоаналоговых преобразователей 30 блоков 1-4 в пределах каяадого 3т фазового сдвига пропорциональны этому сдвигу, { рафики выходных напряжений преобразователей 30 в функции фазы имеют вид пилообразных кривых, причем пилообразная кривая напряжения в блоке 2 сдвинута относительно кривой блока 1 на 7г/2, в блоке 3-jr/4 и в блоке 4 - на 3jr/4. Триггерами Шмитта 31 эти напряжения преобразуются в прямоугольные кривые, а формирователи 32 и 33 от фронтов этих кривых образуют короткие счетные импульсы. Как прямоугольные напряжения с выходов триггеров Шмитта (с потенциальных выходов блоков 1-4), так и счетные импульсы с выходов формирователей (с импульсных выходов этих блоков) поступают на блок 8 пространственно-временного разделения импульсов. В реэультате того, что шаг фазового сдвига Между пилообразными кривыми фазоаналоговых преобразователей 30 блоков 1-4 составляет jr/4, счетные импульсы также появляются с зтим шагом. Объединяясь на выходах блока 8 пространственно-временного разделения, эти . импульсы поступают на реверсивный счетчик 9 через каждую }/8 периода изменения фазы, что вдвое чаще, чем в известном устройстве. В результате разрешающая способность ревер- сивного счета циклов фазового сдвига в предлагаемом устройстве в два раза вьше, чем в известных. Блок 8 пространственно-временного разделения импульсов выполняет функции объединения счетных импульсов и их разделения на два выхода в зависимости ит направления сдвига относительно некоторого начального значения, принятого за нулевое. В этом блоке первые элементы 4И-ИЛИ 18 и 19 объединяют счетные импульсы, появляющиеся на выходах блоков 1 н 2, вторые элементы 4И-ИЛИ 18 и 19 работают от выходных импульсов 3 и 4. Если обозначить через , и D напряжения, появляющиеся иа первых потенциальных выходах блоков преобразования фазы 1-4 (с прямых выходов триггеров Шмитта 31) А,, . и 3 напряжения вторых потенциальных выходов этих блоков (с инверсных выхо$,11 дов триггеров иЬштта), А В Р, D/i - импульсные напряжения, сформированные , ,по положительным перепадам напряжеНИИ А, В, С ИЗ) и через Л 0 и 1) импульсные напряжения, сформированные по отрицательным перепадам этих напряжений, то появление импульсов на выходах элементов 4И-ИЖ 18 и 19, которые обозначены соответственно через Р, Q|M. и N,, может быть описано при помощи следуюпщх логических формул ,6 j 0-ЛВн+Ав +А,,В M )C,B ; .,0 При этом импульсы Р и М имеют место, если происходит изменение фазы в сторону увеличения, в дальнейшем они объединяются элe eнтoм ИЛ 22, импульсы Q и N появляются при изменении фазы в сторону уменьшения и объединяются затем элементом ИЛИ 23. На элементах 2И-ИЛИ 24 и 25, управляемых триггером 12 знака, происходит разделение счетных импульсов на два выхода, свйзанные с входами реверсивного счетчика 9. При положительном значении фазы (триггер 12 знака находится ,в состоянии 1) и при изменении фазы в сторону увеличения счетные импульсы с элемента Ш1И 22 проходят на выход через элемент 2И-ИЛИ 24 и поступают на суммирующий вход реверсивного счетчика 9. При том же значении фазы и обратном направлении ее изменения счетные импульсы с элемента ИЛИ 23 проходят на выход через элемент 2И-ИЛИ 25, поступая на вычитающий вход реверсивного счетчика 9. При отрицательном значении фазы (триггер 12 знака находится в состоянии О) импульсы поступают на вычитающий вход реверсивного счетчика 9 (через элемент 2И-ИЛИ 25 если фаза возрастает, и на суммирующий вход (через элемент 2И-Ш1И 24), если фаза убывает. Элементы И 20 и 21. предназначены для запрета прохождения счетного им пульса, возникающего на выходе первых элементов-4И-Ш1И 18 и 19, в момент времени, когда реверсивный счетчик 9 находится в нулевом сое6 6тоянии. Этот импульс проходит на один из дополнительных выходов блока 3 и затем через элемент ИЖ 14 и блок 11 управления поступает на триггер 12 знака, изменяя его состояние. Благодаря запрету прохождения счетного импульса на вход реверсивного счетчика 9 в момент, когда происходит изменение состояния триггера 12 знака, обеспечивается высокая скорость реверсирования устройства. Для ос5гществления такого запрета одни из выходов элементов И 20 и 21 соединены с выходом элемента НЕ 15. Нулевому состоянию реверсивного счетчика 9 могут соответствовать значения фазы вблизи 0,1:г/2 1л или 3 i в зависимости от того, в какой момент произведена установка нуля, следовательно, запрету подлежит один из импульсов, возникакяцих на импульсных выходах блоков 1 и 2 преобразования фазы. Поэтому элемента И 20 и 21 включены после первых 4И-ШШ 18 и 19, объединяющих эти импульсы. Блок 11 управления предназначен для управления триггером 12 знака, состояние которого должно зависеть от знака фазового сдвига относительно некоторого начального значения, принятого за нулевое. Изменение или установка состояния триг гера 12 знака производится одним из импульсов, проходящим через элемент ИЛИ 14 с формирователя 13 установки нуля, или с выходов первых элементов 4И-ИЛИ 18 и 19 блока 8, в момент нулевого состояния реверсивного счетчика 9. Знак фазового сдвига в этот момент полностью определяется состоянием триггера Шмитта 31 блоков 1-4 преобразования фазы, т.е. напряжениями на потенциальных выходах этих блоков. Если нулевому состоянию счетчика 9 , соответствует значение фазы вблизи , то при положительном фазовом сдвиге (в промежутке от О до -(.jr /4) имеются напряжения на первом потенциальном выходе блока 1 и на вторых потенциальных йыходах блоков 3 и 4 (в соответствии с принятыми вьше обозначениями А., Ci 1 , При отрицательном фазовом сдвиге (промежуток от О до -Jt/4) напряжения имеются только на вторых потенгщапъ ных выходах этих блоков (A,t, Ь). Аналогичным обрязом могут быть рассмотрены случаи, когда нулевому состоянию счетчика 9 соответствуют значения фазы вблизи , (р ±|31 Потенциальные выходы блоков 1-4 преобразования фазы связаны с входа ми элементов 4И-ИЛИ 26 и 27 блока 1 управления. Если обозначить выходные напряжения этих элементов соответственно через X и V то их поя ление может быть описано следующими логическими формулами X-ACDt BCbt-ACB BCD i Y ACD«-feCb ACt 85l При этом напряжение V (на выходе элемента 4И-ИЛИ 26) имеет место при положительном сдвиге фазы относительно соответствующего нулевого значения, напряжение у (на выходе элемента 4И-ИЛИ 27) имеет место при отрицательном сдвиге фазы Импульс установки состояния триггера знака проходит с элемента ИЛИ 14 через элементы И 28 или 29, управляемые соответственно напряжениями У и У с выходов элементов 4И-ИЛИ 26 и 27 и напряжением с выхода инди катора 10 нулевого состояния. Если фазовый рдвиг положителен,то управляющее напряжение (Х имеет место на входе элемента И 28, и импульс поступает через этот элемент на S-вход триггера 12 знака, приводя его в состояние 1.. При отрицатель ном фазовом сдвиге управляющее напряжение (У) имеется на входе элемента И 29. В этом случае импульс установки состояния триггера знака поступает на его С -вход, приведя в состояние О. Таким образом, в предлагаемом фазоизмерительном устройстве величина вдвое разрешающая способность реверсивного счета циклов по сравнению с известными устройствами, в нем также обеспечивается высокая скорость реверсирования. Применение предлагаемого фазоизмерительного устройства с реверсивным счетом циклов обеспечивает возможность дальнейшего увеличения разрешающей способности. Для этого требуется увеличение числа блоков преобразования фазы-с фазосдвигающими цепями и некоторое усложнение схем блока пространственно-временного разделения импульсов и узла управления. Если требуется производить счет через каждые Ui /v ( n четное число), то необходимо иметь h блоков преобразования фазы, i -1 фазосдвигающих цепей со сдвигом соответственно от / 2jr/n,..., , а в блоке пространственно-временного разделения импульсов и в узле управления должны быть применены элементы i И-ИЛИ (вместо 4И-ИЛИ). Предлагаемое фазоизмерительнре устройство с реверсивньм счетом циклов может найти щрокое применение в прецизионных лазерных измерителях перемещений и вибраций, построенных по гетеродинной схеме. Оно позволит повысить разрешающую способность этих устройств, увеличить чувствительность и уменьшить погрешность измерений.

16

77

ФАЗОИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее два блока преобразования фазы, первые входы которых соединены с выходом первого источника входных сигналов, второй вход первого блока преобразования фазы соединен с выходом второго источника входных сигналов непосредственно, а второй вход второго блока преобразования фазы соединен с ним фазосдвигаю1чую цепь, первые выходы первого и-второго блоков преобразования фазы подключены к первой группе входов блока пространственно- временного разделения импульсов, два первых выхода которого соединены с входами реверсивного счетчика, на выходе которого включен ивдикатор нулевого состояния, выход которого соединен с входом элемента НЕ и первым входом блока управления, другие четыре входа которого подключены к вторым выходам блоков преобразования фазы, а пятый вход соединен с выходом элемента ИЛИ, выходы блоки управления подключены к входам установки и сброса триггера знака, выходы которого подключены к вторым входам блока пространственного разделения импульсов, вход установки нуля реверсивного счетчика соединен с первьм входом элемента ИЛИ и выходом формирователя установки нуля, отличающее с я тем, что, с целью повьшения его разрешающей способности, в него введены две фазосдвигающие цепи и два блока преобразования фазы, первые входы которых соединены с вхо(Л дом первого источника входных сигналов, а вторые входы через допол-. нительные фазосдвигающие цепи соединены с входом второго источника .входных сигналов, второй и третий входы элемента ИЛИ подключены к дополнительным выходам блока пространственно-временноТго разделения им|С пульсов, к третьему входу которого подключен ьыход элемента НЕ, первые 00 выходы дополнительных блоков преобразования фазы подключены к четвертой группе входов блока пространственно-временного разделения импульсов, а вторые выходы соединены с остальными входами блока управления.

8

12

I

Ьй

дх.уст,.0

73

14

Ф1гг.1

«Ч

:ь

5у I

КзлеMeHflttf

15

дЬ(Л.

НзлеMeffmff

ШН/4

фуг. 2

Nr

x

8ьм.

Bbfx.