Цифровой фазометр Советский патент 1984 года по МПК G01R25/00 

1 Изобретение относится к фазоизмерительной технике и может быть ис пользовано для измерения сдвигов в пределах, превышающих 360°. Известен цифровой фазометр для измерения больших, фазовых сдвигов, содержащий входнь1е формирователи, ключи, генератор тактовых импульсов делители, реверсивные счетчики, би нарный квантователь фазы, блок равнозначности, схему ИЛИ и инвертор 1 Измерение в данном устройстве осуществляется за один, период иссле дуемых согналов по их нуль-переходам, поэтому оно имеет низкую точность измерения при наличии шумов в входных сигналах, вызывающих флюктуации нуль-переходов. Наиболее близким по технической супщости к предлагаемому является измеряюидай фазовые сдвиги, превышаю щие 360°, кумулятивный фазометр , который содержит первый и второй формирователи, генератор, схему определения числа циклов, счетчик импудьсов,.реверсивный, счет чик импульсов, регистр памяти, линию задержки, два цифроаналоровых преобразователя и сумматор, причем первый вход фазометра Через первый .poвaтeль подключен к первому вх-оду -схемы определения ч.исла цикло и входу устайов ки нуля счетчика импульсов. а второй вход фазометра через второй- формирователь подключен к второму входу схемы определения Шели. циклов и через линию задержки к входу записи регистра п мяти, входы которого подключены к выходамсчетчика импульсов и реверсивного счетчика импульсов, при это выход генератора соединен с входом счетчика импульсов и третьим входом схемы определения числа циклов в)Коды которой подключень к входу реверсивного счетчика импульсов, входь цифроаналоговых преобразователей соединены со старшими и младшими разрядами регистра памяти, а выходы - с входами сумматора, выход которого подключен к выходу фазометра. В этдм фазометре в каждом периоде входного сигнала производится преобразование, фазового сдвига входных сигналов в цифровой код получаемый в счетчике фазового сдви га. При изменении фазового сдвига лее чем на 241 изменяется код реверсивного счетчика импульсов, характ 7 .: J ризующий целое число циклов. Коды фазового сдвига и числа циклов записываются в регистры памяти, затем с помощью цифроаналоговых преобразователей преобразуются в постоянное напряжение, соответствующее зна- чению измеряемого фазового сдвига и числа оборотов 21, Недостатком известного фазометра является низкая точность измерения, обусловленная флюктуациями нульпереходов входных сигналов, вызванными действием шумов и помех, кроме того, результат измерения представляется аналоговой величиной - напряжением, что затрудняет его использование .совместно со средствами вычислительной техники. Цель изобретения - повышение точности измерения кумулятивных фазовых сдвигов. . ; . . Поставленная Цель достигается тем,ЧТО цифровой фазометр, содержащий .первый и второй формирователи, управляемый генератор, блок определения числа циклов, счетчи.к импульсов, реверсивный счетчик- импульсов, первый регистр памяти, и линию .задержки, причем первый вход фазометра через первый формирователь подключен к входу управляемого генератора, первому входу блока определения числа циклов и входу установки нуля счетчика импульсов, а второй вход фазометра через второй формирователь подключен к .второму входу блока определения числа цшслов И через ; линию задержки к входу записи в старшие разряды первого регистра памяти, вх.оды которого подключены с выходам счетчика импульсов и реверсивного счетчика импульсов, выход управляемого генератора соединен с входом счетчика импульсов и третьим входом блока определения числа циклов, выходы которого подключены к входам реверсивного счетчика импульсов, дополнительно снабжен арифметико-логи- , ческим.узлом, вторым и третьим регистрами памяти, цифровым индикатором, блоком управления, триггером знака, инвертором и блоком установки нуля, причем выходы арифметикологического узла через второй регистр памяти подключен к входам третьегорегистра памяти, цифрового индикатора и вторым входам арифметико-логического узла, первые входы которого соединены с одноименными выхода3ми первого и третьего регистров памяти, кроме того, старший разряд пе вогр и третьего регистров памяти со динен со старшими.разрядами первого входа арифметико-логического узла, последний разряд второго регистра памяти через триггер знака подключен к входам знаковых разрядов третьего регистра памяти, цифрового ин дикйтора и первому входу блока управления, второй вход которого соединен с выходом управляемого генератора, перв1з1.е выходы блока управлени соединены соответственно с входами управления арифметико-логического узла, второй и третий выходы - соответственно с, входом записи и управления сдвигом Второго регистра памяти, четвертый, пятый и шестой выходы - соотватственно с входами записи Триггера знака, цифрового индикатора и третьего регистра памяти, выход второго формирователя подключен к входам управления и записи в младшие разряды первого регистра памяти непосредственно, а к входам уйравлеиия третьего регистра памяти - через, инвертор, входы установки нуля реверсивного счетчика импульсов и первого, второго и третьего регистров памяти подключены к выходу блока установки нуля. На . 1 представлена функциональ ная схема фазометра; на фиг.2 - эпю.ры напряжений, поясняющие работу фазометра. Цифровой фазометр содержит формиррватели 1 и 2, входы которых соединены соответственно с входами 3 и 4 фазометра, блок 5 определения числа циклов (оборотов), первый и второй входы которого соединены соот ветственно с выходами формирователей 1 и 2,и выходы - с входами ревер сивного счелчика 6 .импульсов, управляемый генератор 7 тактовых импульсов, вход крторого подключен к выходу первого формирователя 1, а выход к входу синхронизации блока определения числа циклов и счетному входу счетчика 8 импульсов, вход устайовки.нуля которого подсоединен к ВЫХОДУ первого формирователя 1, первый регистр 9 памяти, входы, младших разрядов которого подключены к выходам счетчика .8, входы старших разрядов - к выходам реверсивного счетчика 6, вход записи в младшие разряды - к выходу второго формирова74 . теля 2, а записи в старшие разряды подключен к .выходу второго формирователя 2 через линию 1.0 задержки, арифметико-логический узел 11,. первые входы которого соединены с соответствующими выходами второго регистра 12 памяти, вторые входы - с соответствующими выходами регистров 9 и 13 памяти,, причем старший разряд регис1тров 9 и 13 соединен па- раллельно с втopым I входами старших разрядов узла П, выходаг которого соединены с соответствующими -входами регистра 12, управляющие входы узла 11 соединены с первыми выходами 14. блока, 15 управления, -выходы регистра 12 соединены с соответствующими входами регистра 13.цифрового . инд1 катора 16. Выход последнего, старшего, разряда регистра 12соединен с входом триггера 17 знака, вход синхронизации подключен к четвёртому выходу 18 блока 15, а выход к соответствующим входам регистра 13, индикатора 16 .и первым входам 19 блока 15. Выходы записи и управления сдвигом регистра 12 соединены соответственно с вторым и третьим выходами 20 и 21 блока 15, вхоД синхронизации индикатора 16 и вход синхронизации регистра 13 соединены соответственно с пятым и шестым выходами 22 и 23 блока 15, второй вход 24 которого соединен с выходом управляемого генератора 7. Выход формирователя 2 подключен к входу.управления регистра 9 непосредственно, а к входу управления 13 - через инвертор 25, входы установки нуля счетчика 6 и регистров 9, 12 и 13 подключены к выходу блока 26 установки нуля. ., Устройство осуществляет измерение нескольких значений фазовых сдвигов, с учетом их знаков,усредняет эти значе шяИ корректрирует результат с учетом фазового сдвига N, полученного при установке .йудя. Результат измерения фазового сдвига Фможно представить формулой 2 г2:( + жШ 1 I о 360° - дискретиость измерения где 2m фазового сдвига, определяемая разрядностью счетчика 8; ,.ffi - число разрядов счетчика 8} j Nj - код числа циклов, опре деляемый выходным кодом реверсивного счетчика 6 2 - количество усредняемых результатов измерения, V - 1 9 л д,, Устройство работает следующим образом. Гармонические сигналы, фазовый сдвиг между которым подлежит измерению (фиг.2о1. Б), поступают на входы 3 и 4 фазометра Формирователи 1 и 2 формируют из входных сигналов прямоугольные импульсы (фиг.2 в.иг), фронты которых софтветствуют их нуль переходам. Блок 5 определения числа .циклов формирует на одном из выходов импульс при изменении фазового сдвига между сигналами более чем на 360 Этот импульс увеличивает или умень шает код N счетчика 6 на единицу.. При измерении ;фазовых.сдвигов в пределах 360 N )T,o(it где «аксимальное измеряемое число циклов, объем реверсивного счетчика следует выбирать равным 2 , , при этом старший разряд счетчика 6 является знаковым, причем положительному знаку фазового сдвига соответствует логический нуль на выходе знакового разряда, а отрицательному знаку логиче.скай единица. В приведенной на фиг. 1 схеме фазометра принято М. С выхода реверсивного счетчика 6 код N и код знака передними фронтами импульсов с выхода формирователя 2, задержанными: линией 10 задержки на время срабатывания блока 5 определения числа циклов и реверсивного счетчика 6, переписываются в старшие разряды регистра 9 . Управляемый генератор 7 формирует последовательность импульсов частотой(2) где вх частота Входных сигналов, фазометра. Эти импульсы непрерывно поступают на вход счетчика 8 фазового сдвига, емкость которрго выбрана равной 2. Счетчик 8 устанавливается в нулевое состояние передним фронтом импульсов формирователя 1 в моменты времени 1, Ь, tj,.i.2K,3 , 4-247 4-2 +1 . (фиг. 2 в). В моменты времени ij,i.,,i.,j,..., 4-г +4 4-2+8 2 t). соответствующие передним фронтам импульсов на выходе формирователя 2, в очетчике 8 образуются коды ЛМ, соответствую876щие значению измеряемого фазового сдвига. Коды.ЛМ переписываются в младшие разряды регистра 9 передними фронтами импульсов с выхода формирователя 2. Таким образом, в каждом такте измерения в регистре 9 получают коды, соответствующие зна;чениям измеряемого фазового сдвига, числа циклов и знака. Эти коды поступают на входы арифметико-логйческого узла 11 для последующих преобразований. Арифметико-логический узел 11 осуществляет накопление результа- тов измерения 2 + &Н с учетом знака, проебразование полученного кода и вычитание значения начальноного. фазового сдвига у, , выраженного кодом 4N(j. Для этого на управляющие входы узла 11 поступает с выхода 14 15 группа управляющих сигналов. Например, в интервалы времени Us.i-v А .д блок 15. на выходе 14 формирует группу управляющих сигналов, под воздействием которой в узле 11 выполняется сложение кода фазового сдвига, измеренного в последнем такте, с кодом результатов предыдущих измерений. При этом выходы регистра 9 под воздействием сигнала (фиг.2г) на его управляющем входе подключены к первым входам узла 11. В )Banbi времени1 -,,„, 4-t ti%-i +& блок 15 на выходе 14 форт мирует группу управляющих сигналов, под воздействием которых узел 11 выполняет вычитание кода ЛН , записанного в регистре 13, из результата измерения. При этом выходы регистра 9 отключаются, а выходы регистра 13 под воздействием управляющего сигнала на его входе подключаются к первым входам узла 11. Полученные на выходе узла 11 коды результата арифметических операций, указанных вьше, запоминаются в регистре 12. при поступлении очередного импульса на вход записи этого регистра с выхода 20 блока 15 (фиг.23). При переходе .измеряемого фазового сдвига в отрицательную сбласть или изменении фазового сдвига от О до -2.3fM в счетчиках 8 и 6 результат измерения представляется дополнительным кодом, поэтому влгебраическое сложение результатов измерения каждого такта выполняется без дополнительных преобразований кодов.

Объем арифметико-логического узла 11 и регистра 12 выбирают, учитьм вая необходимое количество тактов, требуемых для усреднения результатов-измерений, таким образом, чтобы не происходило переполнение арифметико-логического узла 11 и регистра 12. В фазометре, схема кторого изображена на фиг.1, количество тактов измерения выбрано 2, следовательйо, число разрядов узла 11 и регистра 12 должно быть m+n+k двоичных разрядов.

После выполнения необходимого количества тактов измерения за интервал времениT jj в регистре 12 образуется код усредненного результата измерения. Этот результат цредстав1ляется прямым кодом, если знак ре- зультата положительный, и дополнительным кодом, если знак от.рицательный. Для того, чтобы окончательный результат измерения представить в-прямом коде, -независимо от знака, выполняется преобразование дополнительного кода в прямой, еели знак результата отрицательный. Для этого знак результата измерения запоминается в триггере 17 (фиг.2 ж) при-переходе импульса записи с выхода 18: блока 15 г.2в .На фиг.2ж принято что знак результата измерения отрицательный.,

. В интервале времени t. L на выходе 14 блока 15 формируется группа сигналов управления, соответствующая операции преобразования дополнительного кода в прямой. Под воздействием этих сигналов узел 11 преобразует дополнительный код результата измерения, записанного в регистре 12, в прямой. Получанный прямой код записывается в регистр 12 Таким образом, в регистре 12 полу- . чают прямой код результата измерения независимо от знака. После этого в интервал времени, например , 4-г 8 4-гЬ + 1о выполняется деление результата измерений на число 2, для чего на вход управления сдвигом регистра 12 поступает сигнал управления сдвигом (фиг.2)с выхода 21 блока 15. Одновременно на вход записи регистра 12 поступает серия из t импульсов с выхода 20 блока 15 (фиг.2д которая сдвигает результат измерения на .k разрядов влево. Таким образом, в разрядах от 1 доП)+п-1 регистра 12

Ч младшие разряды ) получаю прямой двоичный код окончательного усредненного результата измерений числа циклов и фазового сдвига, а на выходе триггера 17 - код знака этого результата измерения. Код результата измерения фиксируется цифровым индикатором 16 при поступлении на end вход записи сигнала с выхода 22 бло,ка 15 (). Цифровой индикатор 16 может содержать входные регистры, преобразователь двоичного кода в; двоично-десятичный и устройство отображения. . ; Для исключения аддитивной погреш-г кости, обусловленной неидентичностью каналов, и для обеспечения возмож-ности измерения приращений фазового сдвига в предлагаемом фазометре предусмотрена возможность коррекции результата измерения, которая осу- ществляется следующим образом В на-г чальный момент времени блоком 26 установки нуля реверсивный счетчик 6 и регистры 9,J2 и 13 устанавливают-; ся в исходное нулевое состояние. Затем выполняется измерение начального фазового сдвига « как описано выше, в результате чего, на . выходе регистра 12 формируется код uHf. усредненного результата измерения Чд. Этот код по сигналу с выхода 23 блока 15 записывается в регисчр 13. Код дМд вычитается в каадом такте последующих измерений, как описа- . но выше. Таким образом выполняется . коррекция аддитивной погрешности ре-г зультата измерения фазового сдвига. .

, В фaзo feтpe возможна достаточно простая регулировка количества ус- реднен1 ых тактов измерения, т.е. регулировка числа t. Для этого блок 15 может содержать переключатель количества усредняемых тактов, который изменяет количество импульсов, сдвигающих информацию в регистре 12,

Таким образом, использование изобретения позволит существенно.повы- ; сить точность измерения фазовых . сдвигов как за счет усреднения ре- зультатов нескольких тактов измереий, так и за счет коррекции-резульатов измерения. Предлагаемый фазометр позволяет измерять фазовые двиги с высокой .точностью при наичии асинхронных помех и шумов во ходных сигналах.

ЦИФРОВОЙ ФАЗОМЕТР, содержащий первый и второй формирователи, управляемьш .генератор, блок определения числа циклов, счетчик импульсов, реверсивный счетчик импульсов, первый регистр памяти и линию задержки,; причем первый вход фазометра через первый формирователь подключен к входу управляемого генератора,, первому входу блока определения числа циклов и-входу установки нуля счетчика импульсов, а второй вход фазометра через второй формирователь подключен к второму входу блока определения числа циклов и через линию задержки к входу записи в старшие разряды первого регистра памяти, входы Которого подключены к выходам счетчика импульсов и реверсивного счетчика импульсов, выход управляемого генератора соединен с входом счетчика импульсов-и третьим входом блока определения числа циклов. выходы которого подключены к входамреверсивного счетчика импульсов, отл-ичающийся тем, что, с целью повышения его точности, он снабжен арифметико- логическим узлом, вторым и третьим регистрами памяти, , цифровым индикатором блоком управ- ления, триггером знака, инвертором и блоком установки нуля, причем выходы арифметико-логического узлй через второй регистр памяти подключены к входам третьего регистра йамяти, цифрового индикатора- и вторым входам арифметико-логического узла, первые входы которого соединены с одноименными выходами первого и третьего регистров памяти, кроме того, . старший разряд первого и третьего регистров памяти соединены параллельно со старшими разрядами первого входа арифметико-логического узла, последний разряд второго регистра памяти через три,ггер знака подключен к входам знаковых разрядов треСО тьего регистра памяти, цифрового индикатора и первому входу блока управления, второй вход которого соединен с выходом управляемого, генератора, первые выходы блока управле-г ния соединены соответственно с входами управления арифметико-логического узла, второй и третий выходы N3 00 соответствершо с входами записи и управления сдвигом второго регистра памяти, четвертый, пятый и шестой 00 выходы - соответственно с входами | записи триггера знака, цифрового индикатора и третьего регистра памяти, выход второго формирователя подключен к входам управления и записи в младшие разряды первого регистра памяти непосредственно-, а к входам управления третьего регистра памяти - через инвертор-, входы установки нуля реверсивного счетчика импуль сов и первого, второго и третьего регистров памяти подключены к выходу блока установки нуля