Автокомпенсационный фазометр Советский патент 1986 года по МПК G01R25/04 

1

Изобретение относится к измерительной технике, точнее к устройствам для измерения фазы, и может быть использовано в автокомпенсационных фазометрах с цифровым отсчетом.

Цель изобретения заключается в повышении точности измерения путем уменьшения погрешности дискретизации.

Последовательное включение в один канал известного автокомпенсационного фазометра блока выработки случайного фазового сдвига и подключение к выходам устройства блока вычисления среднего значения кодов компенсации обеспечивает повьш1ение точности измерения за счет уменьшения ошибки дискретизации.

На чертеже представлена структурная схема автокомпенсационного фазометра.

Фазометр содержит блок 1 выработки кодов компенсации, электронные ключи 2, дискретные фазовращатели 3, первую входную шину 4, фазовый детектор 5, первый вход 6 блока 1 выработки кодов компенсации, второй вход 7 блока 1 выработки кодов компенсации, блок 8 формирования пусковых импульсов , блок 9 вычисления среднего значения кодов компенсации, дополнительный выход 10 блока 1 выработки кодов компенсации, формирователь 11 импуль са, индикатор 12, блок 13 выработки случайного фазового сдвига, выход 14 и вход 15 блока выработки случайного фазового сдвига, вторую входную шину 16, блок 17 сложения, разрядные (информационные) входы 18 первого слагаемого, первый регистр 19, второй регистр 20, блок 21 деления, счетчик 22, тактовый вход 23, вход 24 синхронизации, первый 25 и второй 26 элементы задержки, разрядные входы 27 второго слагаемого, управляемый фазовращатель 28, цифроанало roBbtfi преобразователь 29, регистр 30, генератор 31 случайных чисел, первый ключ 32, одновибратор 33, второй ключ 34, генератор 35 тактовых импульсов.

Одни выходы блока 1 выработки кодов компенсации подключены к управляющим входам электронных ключей 2, каждый из которых подключен параллельно соответствующему дискретному фазовращателю 3, которые соединены

19983 ..2

последовательно между первой входной шиной 4 и первым входом фазового детектора 5, выход которого присоединен к первому входу 6 блока 1 выJ работки кодов компенсации, второй вход 7 которого подключен к выходу блока 8 формировадия пусковых импульсов и тактовому входу блока 9 вычисления среднего значения кодов, формационные входы которого подключены к другим выходам блока 1 выра- ботки кодов компенсации, дополнительный выход 10 которого через формирователь 11 импульса соединен с

J5 входом 24 синхронизации блока 9 вычисления среднего значения кодов компенсации, выходы которого подключены к входам индикатора 12, а вход синхронизации блока 9 вычисления сое20 динен с входом синхронизации блока 13 выработки случайного фазового сдвига, вход 15 и выход 14 которого подключены между входом фазового детектора 5 и второй входной шиной 16.

Блок 9 вычисления среднего значения

кодов компенсации содержит блок 17 сложения, разрядные входы 18 первого слагаемого которого являются информационными входами блока 9,

jg а входы блока 17 сложения подключены k входам первого регистра 19, выходы которого присоединены к входам второго регистра 20 и одним входам блока 21 деления, другие входы которого соединены с выходом счетчика 22, тактовый вход которого является тактовым входом 23 блока 9 вычисления, вход 24 синхронизации которого подключен к входу первого элемента 25 задержки, выход которого соединен с разрешающим входом первого регистра 19 и входом второго элемента 26 задержки, выход которого подключен к разрешающему входу второго регистра 20, выходы которого соединены соответственно с разрядными входами 27

второго слагаемого блока 17 сложения, а выходы блока 21 деления подключены к входам индикатора 12,

50 блок 13 выработки случайного фазового сдвига содержит управляемый фазовращатель 28, управляющий вход которого подключен к выходу цифроанало- гового преобразователя 29, входы

55 которого соединены с выходами регистра 30, информационные входы которого подключены к выходам генератора 31 случайных чисел, а разрешающий

35

40

45

3

вход регистра 30 является входом синхронизации блока 13 выработки случайного фазового сдвига, а блок 8 формирования пусковьк импульсов содержит первый ключ 32, подключенный между шиной нулевого потенциала и входом одновибратора 33, выход которого соединен с управляющим входо второго клича 34, вход которого соединен с выходом генератора 35 тактовых импульсов, а выход ключа 34 явлется выходом блока 8 формирования пусковых импульсов.

Устройство работает следующим образом.

Входные гармонические сигналы, фазовый сдвиг между которыми необходимо измерить, поступают на входные шины 4 и 16.

Измерение осуществляется компенсационным методом с поразрядным уравновешиванием измеряемого фазового сдвига. Поразрядная компенсация производится подключением соответствующих дискретных фазовращателей 3 в одном из каналов до обеспечения синфазности входных напряжений на входах фазового детектора 5, при срабатывании которого введенный известный фазовый сдвиг является мерой измеряемого фазового сдвиг

Особенностью устройства является то, что измерение фазового сдвига производится многократно, окончательный результат определяется путе осреднения результатов отдельных измерений. При этом с помощью фазовращателя 28 в блоке 13 в каждом отдельном измерении к фазе сигнала, поступающего на вторую входную шину 16, добавляется дополнительный фазовый сдвиг, значение которого является случайной величиной с известным законом распределения. Случайный фазовый сдвиг сохраняется постоянным в течение времени одного измерения. Формирование этого дополнительного фазового сдвига производится перед каждым измерением в блоке 13, вход и вьпсод которого включены последовательно с второй входной шиной 16.

Введение дополнительного случайного фазового сдвига и многократный режим измерения с осреднением результатов позволяет значительно умен шить погрешность дискретизации, обусловленную конечным числом дискретных фазовращателей 3.

219983 .

Рассмотрим работу устройства более подробно.

В известном цифровом компенсационном фазометре за счет дискретного 5 характера уравновешивания измеряемый фазовый сдвиг определяется с ошибкой, равной минимальному шагу компенсации

10

.

9

(1)

где М „,„ измеряемый фазовый сдвиг; f - числовое значение уровня дискретизации, при кото- J5ром производится компенса ция;

Ч - минимальный шаг компенсации;

ошибка дискретизации, мак- 20 . симальное значение которой равно шагу компенсации.

Отождествление измеряемого фазового сдвига „iM производится с бли- 25 жайшим меньшим уровнем дискретизации с числовым значением м

саHJM

МО же истинное значение vf лежит в пределах

30 u « s H «j(NHi«4-lJu K (2)

И определяется с точностью, не пре- вьш1ающей ошибки дискретизации

Лоз Л к35 Для повышения точности положение изм между двумя уровнями дискретизации определяется путем осреднения результатов h измерений, в каждом из которых измеряе40 мый фазовый сдвиг увеличивается иа случайную величину, распредепеииую по равномерному закону в интервале О - йЧк .

Принимая, что: f - измеряе45 мый фазовый сдвиг постоянен в течение п измерений, где п - общее количество измерений; fp - зна-. чение случайного фазового сдвига, которое добавляется к измеряемому .

50 фазовому сдвигу при каждом 1-м измерении, распределено по случайному равномерному закоиу в интервале О - Л М к постояино в процессе одного измерения, то за время п 55 измерений возможно выполнеиие одио- го из условий:

NHJM (N„,„4 1)4 ч,

(3)

или

(N,) аЧк 44,, . ,(4)

Пусть в результате п измерений суммарной величины ( Ч, +4 )

Ц jr - С. At

раздаст измерения, рав- ( + 1)&Ч , и , равные значению

фазометр п ные значению (п - п.) раз,

Иизм

То есть при общем числе измерений п условие (4) вьтолняется п раз, а условие (З) выполняется (п- -п) раз, и положение измеряемой величины Ч между соседними дискретными уровнями может быть определено с учетом вероятности 1д :

h

У -N

ijri и

ДМ .

(5)

Очевидно, что выражение {5) представляет собой среднее значение результатов измерений фазового сдвига ,j , к которому добавлен допол- нительньш сдвиг - :

п

е

HljM

N

И1,М1

I -1

. Nv ъмйЧ к(и-иЛ-ь()

К, +

h,

йЧ),.

(6)

h - .к

Таким образом, введение дополнительного случайного фазового сдвига М сл; и определение результатов п измерений позволяет в Гп раз уменьшить погрешность дискретизации .

Определение значения измеряемого фазового сдвига 4, в соответствии с выражением (6j в устройстве производится следующим образом.

Входные сигналы поступают на первую 4 и вторую 16 входные шины. Измерение начинается с включения первого ключа 32, который запускает одновибратор 33. На входе одновиб- ратора 33 формируется длинный одиночный импульс, которьй поступает на управляющий вход второго ключа 34 и разрешает прохождение импульсов с выхода генератора 35 Тактовых импульсов через ключ 34 на вход бло.ка 8 формирования пусковых импульсов, при этом на выходе блока 8 появляется пачка пусковых импульсов. По окончании импульса на выходе одновибратора 33 ключ 34 закрывается и поступление

0

5

0

5

0

5

5

импульсов на выходе блока 8 формирования пусковых импульсов прекращается. Дпя появления новой пачки импульсов необходимо произвести повторное включение ключа 32.

Так как по каждому пусковому импульсу в устройстве производится одйо измерение, то период между пусковыми импульсами выбран больше, чем время одного измерения. Последовательное поступление заданного числа п пусковых импульсов с выхода блока 8 обеспечивает автоматическое проведение п измерений.

Пусковые импульсы с выхода блока 8 формирования пусковых импульсов поступают последовательно на второй вход 7 блока 1 выработки кодов компенсации . При поступлении первого пускового импульса блок 1 выработки кодов компенсации начинает формирование компенсирующего кода на своих выходах. Сформированный код компенсации, соответствующий измеряемому сдвигу, фиксируется, т.е. производится однократное измерение. При поступлении следующего пускового импульса блок 1 выработки кодов компенсации вновь начинает свою работу, чтобы произвести новое измерение.

Процесс однократного измерения фазового сдвига заключается в том, что на одних выходах блока 1 формирования кодов компенсации появляется код, который, поступая на управляющие входы электронных ключей 2, вы-, зьшает их выключение в соответствии с кодом и обеспечивает тем самым введение компенсирующих фазовых сдвигов с помощью соответствующих дискретных фазовращателей 3.

Отличительная особенность заключается в том, что при измерении производится компенсации с помощью дискретных фазовращателей 3 измеряемого фа-зового сдвига Ч вместе с допол

изм

CM

конитет ьным фазовым сдвигом Ч , торый вводится в канал второго входного сигнала с помощью последовательно включенного блока 13 выработки . случайного фазового сдвига.

Таким образом, код компенсации, зафиксированный на выходах блока 1 выработки кодов компенсации по окончании каждого измерения соответствует величине ( + ).

После окончания каждого измерения на дополнительном вькоде 10 блока 1 вь1работки кодов компенсации появляется сигнал, который ет на вход формирователя 11 импульса, на выходе которого по переднему фронту входного сигнала формируется одиночный импульс. Этот импульс поступает на вход синхронизации блока 13 выработки случайного фазового сдвига, вызывая установку нового слчайного фазового сдвига , который вводится в блоке 13 между второй входной шиной 16 и вторым входо фазового детектора 5. Поскольку на дополнительном выходе 0 сигнал появляется после каждого измерения, то и установка случайного фазового сдвига производится после каждого измерения, причем каждый раз значение этого сдвига меняется по равномерному случайному закону. Б качестве второго входа 7 и дополнительного выхода 10 использованы соответственные входы Пуск и Стоп известного устройства.

. Одновременно одиночный импульс с выхода формирователя 11 импульса поступает на вход 24 синхронизации блока 9, где производится вычисление среднего значения для п измерений. Это осуществляется следующим образом.

Результат первого измерения Н, в виде кода поступает на информаци- онные входы блока 9 вычисления среднего значения кодов компенсации, которыми являются разрядные входы 18 первого слагаемого блока 17 сложения, и появляется на входах блока 17 сложения, так как на разрядные входы 27 второго слагаемого посту- пает нулевой код. С выходов блока 17 сложения код NVVJMI поступает :на входы первого регистра 19. Одновременно одиночньй импульс, поступающий на вход 24 синхронизации, задерживается в первом 25 элементе задержки и с его выхода поступает на разрешающий вход первого регистра 19. При его поступлении в первый jMOMeHT происходит, занесение в первый регистр 19 кода N„J,1 с выходов блока 17 сложения, В следующий момент код КиАм.г выхода первого регистра 19 поступает на одни входы блока 21 деления и входы второго регистра 20, занесение в который производится по разрешающему импульсу, поступающему с выхода второго элемента 26 задержки. В следующий мо2199838

мент код N J с выходов второго

регистра 20 поступает на разрядные входы 27 второго.слагаемого.

По второму пусковому импульсу производится второе измерение, результат которого KMJM S виде кода вновь поступает на разрядные входы I8 первого слагаемого блока 17 сложения, где складывается со значением NмJ .

10

15

Результат сложения с выхода блока 17 сложения заносится в первый регистр 19, а затем и во второй регистр 20 в моменты прихода разрешающего импульса с выхода первого 25 и второго 26 элементов задержки на соответствующие разрешающие входы. После этого результат измерения ( N + N

20

50

И1М1

«iM г

) с выхода регистра 20 поступает на разрядные входы 27 второго слагаемого блока 17 сложения.

После третьего измерения в блоке 17 сложения вновь производится сложение результата третьего измерения с результатами двух предьщущих, а

25 суммарный результат вновь последовательно заносится в первый 19 и второй 20 регистры.

Таким образом, после проведения п измерений суммарное значение всех результатов измерений (NHJMI + + .... ) оказьшается записанным в регистрах 19 и 20, а с выхода первого регистра 19 код этого значе - ния поступает на одни входы блока 21 деления, на другие входы которо35 го с выхода счетчика 22 поступает код, соответствующий числу проведенных измерений п. Код этого числа образовывается в счетчике 22 за счет поступления на его вход такто вых импульсов с выхода блока 8 формирования пусковых импульсов. По этим пусковым импульсам одновременно производится п измерений и заполнение счетчика 22. В блоке 21 деления осу ществляется деление суммы результатов измерений н а количество проведенных измерений, т.е. вычисляется среднее значение результатов измерений в соответствии с выражением (6). Частное от этого деления, соответствующее

измеряемому значению фазового сдвига, поступает на входы блока индикации, который осуществляет его визуализацию.

Введение дополнительного фазового сдвига , который складава- ется с измеряемой разностью фаз, производится в устройстве с помощью

блока 13 выработки случайного фазового сдвига, вход 15 и выход 14 которого включены последовательно меж Ду второй входной шиной 16 и вторым входом фазового детектора 5. Блок выработки случайных фазовых сдвигов обеспечивает при каждом измерении фазовый сдвиг, значение которого является случайной величиной, равномерно распределенной в интервале О Л Ч , и работает следующим обК

разом.

При поступлении с выхода формирователя 1I одиночного импульса на его синхронизирующий вход, которым является разрешающий вход регистра 30, в регистр 30 заносится код случайного числа, который поступает в данный момент на его входы с выхода генератора 31 случайных чисел. Код случайного числа, зафиксированный в регистре 30, поступает на вход цифроаналогового преобразователя 29, на выходе которого формируется напряжение, соответствующее случайному числу. Это напряжение поступает на управляющий вход фазовращателя 28, который и устанавливает случайный фазовый сдвиг у . Значение этого фазового сдвига сохрняется постоянным, пока не произойдет изменение кода, записанного в регистре 30. Занесение нового случайного числа в регистре 30 производится только при поступлении импульса на его. разрешающий вход с выхода формирователя 11, т.е. после каждого измерения. Разрядность регистра 30 и цифроа налогового преобразователя 29 и диапазон изменения фазы фазовращателя 28 выбраны таким образом, что обеспечивают изменение случайного напряжения на выходе о цифроаналогового преобразователя 29 так, чтобы управляемый фазовращатель 28 вносил фазовый сдвиг в пределах 0 - ДЧ ц .

При проведении большего количества измерений ошибка дискретизации уменшается пропорционально корню квадратному из числа измерений и при значительных количествах измерений может быть практически исключена.

Указанное техническое преимущество позволяет повысить точность измерения цифровых фазометров компенсационного типа за счет уменьшения ошибки дискретизации.

1219983 t Формула

10 изобретения

1.Автокомпенсационный фазометр, содержащий блок выработки кодов компенсации, электронные ключи, дискретные фазовращатели, фазовый детектор, блок формирования пусковых импульсов и индикатор, причем одни выходы блока выработки кодов компенсации подключены к управляющим входам электронных ключей, каждый из которых подключен параллельно соответствующему дискретному фазовращателю, которые соединены последовательно между первой входной шиной и первым входом фазового детектора, выход которого присоединен к первому входу блока выработки кодов компенсации, второй вход которого поключен к выходу блока формирования пусковых импульсов, отличающийся тем, что, с целью повьшгения точности измерения путем уменьшения погрешности дискретизации, фазометр дополнительно содержит блок выработки случайного фазового сдвига и блок вычисления среднего значения кодов компенсации, тактовый и информационные входы которого присоединены к второму входу и другим вькодам блока выработки кодов компенсации, дополнительный выход которого через введенный формирователь импульса соединен с входом синхронизации блока вычисления среднего значения кодов компенсации и входом синхронизации блока выработки случайного фазового сдвига, у которого выход и вход подключены соответственно к второму входу фазового детектора и второй входной шине, а выходы блока вычисления среднего значения кодов компенсации подключены к входам индикатора.

2.Фазометр по п. 1, о т л и ч а- ю щ и и с я тем., что блок вычисления среднего значения кодов компенсации содержит блок сложения, разрядные входы первого слагаемого которого являются информационными входами блока вычисления среднего значения кодов компенсации, а выходы блока сложения подключены к входам первого регистра, выходы которого присоединены к входам второго регистра

и одним входам блока деления, другие входы которого соединены с выходом счетчика, тактовьй вход которого является тактовым входом всего блока вычисления среднего значения кодов

11

компенсации, вход синхронизации которого подключен к входу первого элемента задержки, выход которого соединен с разрешающим входом первого регистра и входом второго элемента задержки, выход которого подключен к разрешающему входу второго регистра, выходы которого соединены соответственно с разрядными входами второго слагаемого блока сложения, а выходы блока деления являются выходами блока вычисления среднего значения кодов компенсации.

3. Фазометр по п. 1, отличающийся тем, что блок выработки случайного фазового сдвига содержит управляемый фазовращатель, вход и выход которого являются соответственно входом и выходом Bcei o блока, а управляющий вход подключен

S

21998312

к выходу цифроаналогоБого преобразователя, входы к оторого подключены к выходам регистра, информационные входы которого подключены к выходам генератора случайных чисел, а разрешающий вход регистра является входом синхронизации блока выработки случайного фазового сдвига.

10 4. Фазометр по п. 1, о т л и ч а- ю щ и и с я тем, что блок формирования пусковых импульсов содержит первый ключ, подключенный между шиной нулевого потенциала и входом

15 одновибратфра, выход которого-соединен с управляющим входом второго ключа, вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов , а выход второго ключа является

20 выходом блока формирования пусковых импуль сов.

Изо6ретение относится к области измерительной техники, в частности к устройствам для измерения фазы, и может быть использовано в автоком пенсационных фазометрах с цифровым отсчетом. Цель изобретения - повышение точности измерения путем уменьшения погрешности дискретизации. Поставленная цель достигается последовательным включением в один канал известного автокомпенсационного фазометра блока выработки случайного фазового сдвига, а также подключением к выходам устройства блока вычисления среднего значения кодов. При этом измерение фазового сдвига производится многократно. Окончательный результат определяется путем усреднения результатов отдельных измерений. Введение дополнительного случайного фазового сдвига и многократный режим измерения с усреднением результатов значительно уменьшают погрешность дискретизации, обусловленную конечным числом дискретных фазовращателей. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Редактор Р. Цицика

Составитель Ю. Макаревич

Техред В. Кадар Корректор Г. Решетник

Заказ 1319/53 Тираж 728 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ГОШ Патент, г. Ужгород, ул. Проектная,