Фазометр Советский патент 1986 года по МПК G01R25/00 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам измерения сдвига фаз, и может быть использовано как при построении автономных приборов для измерения фазовых сдвигов, так и при построении автоматизированных систем управления и контроля.

Цель изобретения - повышение точности измерений за счет уменьшения зоны нечувствительности, возникающей на краях диапазона при сдвигах фаз сигналов, близких к 360°С.

На фиг.1 представлена структурная схема фазометра, на фиг.2 - структурная схема блока критерийной обработки; на фиг.З - временные диаграммы, поясняющие работу элементов фазометра.

Предлагаемый фазометр (фиг.1) содержит первый формирователь 1 и второй формирователь 2, входы которых являются соответствующими входами фазометра, первый 3, второй 4 RS-триггеры, первый элемент И 5, выход которого соединен с S-входом второго RS-трИггера 4, первый элемент ИЛИ 6, одновибратор 7, инвертор 8, второй элемент И 9, фильтр 10 постоянной составляющей, выход которого является выходом фазометра, коммутатор 11, первый вход которого соединен с прямым выходом первого RS-триггера 3, а управляющий вход - с прямым выходом второго RS-триггера 4 и первым входом второго элемента И 9, третий формирователь 12, вход и выход которого соединены соответственно с выходом однрвибратора 7 и вторым входом второго элемента И 9, соединенные последовательно блок 13 критерийной обработки, первый вход которого соединен с выходом одновибратора 7, второй вход соединен с выходом первого формирователя

I,а выход соединен с входом инвертора 8 и вторым входом коммутатора

II,третий элемент И 14, вход которого соединен с выходом второго элемента И 9, а выход соединен с первьм

.входом первого элемента ИЛИ 6, и второй элемент ИЛИ 15, вход которого соединен с выходом первого формирователя 1 и первым входом первого элемента И 5, а выход соединен с S-входом первого RS-триггера 3, соединен:ные последовательно четвертый эле

5

0

5

0

5

0

мент И 16, первый вход которого соединен с выходом второго элемента И 9, второй вход соединен с выходом инвертора 8, а выход соединен с вторьм входом первого элемента ИЛИ 6, и третий элемент ИЛИ 17, вход которого соединен с выходом второго формирователя 2, вторым входом первого элемента И 5 и входом одновибратора 7, а выход соединен с R-входом первого RS-триггера 3, выход первого элемента ИЛИ 6 соединен с R- ходом второго RS-триггера 4, выход коммутатора 11 соединен с входом фильтра 10 постоянной составляющей.

Фазометр работает следующим образом .

Входные гармонические напряжения и, И Uj поступают соответственно на вход первого формирователя 1 и второго формирователя 2 (фиг.1). При переходе входных напряжений U и U,, через нулевой уровень из отрицательных значений в положительные на выхо5 дах указанных формирователей формируются узкие импульсы длительностью (4-5) , Импульсы с выхода первого формирователя 1 (фиг. За) воздействуют через второй элемент

0 ИЛИ 15 на S-вход первого триггера 3. Импульсы с выхода второго формирователя 2 (фиг.3,6) воздействуют через третий элемент ИЛИ 17 на R-вход первого триггера 3. Таким образом, на прямом выходе первого RS-триггера 3 формируется импульсная последовательность (фиг.Зз), скважность которой пропорциональна фазовому сдвигу входных напряжений U, и Uj . Указанная импульсная последовательность поступает посредством коммутатора 11 на вход фильтра 10 постоянной составляющей. На выходе фильтра 10 постоянной составляющей образуется напряжение, пропорциональное скважности входной импульсной последовательности, и равно фазовому сдвигу входных напряжений.

Работа устройства происходит при измерении фазовых сдвигов входных напряжений, существенно отличающихся от 360-0° (режим I).

При фазовых сдвигах, близких к

360-0, имеет место совпадение во времени импульсов с выходов первого 5 формирователя 1 и второго формирователя 2. Вследствие этого первый RS-триггер 3 из-за состязаний произвольно меняет свое состояние от

периода к периоду, в то время как он должен находиться практически все время в единичном или нулевом состоянии. Поэтому при совпадении во времени импульсов на выходах пер- него формирователя 1 и второго формирователя 2 прямой выход первого RS-триггера 3 -отключается от входа фильтра 10 постоянной составляющей, куда посредством коммутатора 11 под- ключается выход блока 13 критерийной обработки. Блок 13 критерийной обработки предназначен для формирования на своем выходе напряжения логической 1 при фазовых сдвигах, близ- ких к 360°, и напряжения логического О при фазовых сдвигах,близких к статистическим критериям

При этом при совпадении импульсов с выходов первого формирователя 1 и второго формирователя 2, поступающих соответственно на первый и второй входы первого элемента И 5, на выходе последнех о формируется импульс (фиг.Зд), воздействующий на S-вход второго RS-триггера 4, устанавливая его в единичное состояние (фиг.Зи). Напряжение логической 1 с прямого выхода второго RS-триггера 4 поступает на первый вход второ- го элемента И 9, а также на управ- ляющий вход коммутатора 11 для подключения к входу фильтра 10 постоянной составляющей выхода блока 13 критерийной обработки.

Кроме того, импульс с выхода второго формирователя 2 поступает на вход одновибратора 7, который формирует на своем выходе импульс (фиг.Зв) длительностью, в 3-5 раз превышающей длительность импульса на выходе второго формирователя 2. Шпульс с выхода одновибратора 7 поступает на первый вход блока 13 критерийной обработки и на вход третьего формирователя 12. По спаду входного импульса третий формирователь 12 вырабатывает на своем выходе узкий строб (фиг.Зг) длительностью, примерно равной длительности импуль- са на выходе второго формирователя 2. С выхода третьего формирователя 12 строб транслируется через второй элемент И 9 на первый вход четвертого элемента И 16 и на вход третьего элемента И 14. Выход блока 13 критерийной обработки подключен к входу третьего элемента И 14 и через перs О t5

20 25 ЗО

5

0 5 0 5

вый инвертор 8 к второму входу четвертого элемента И 16. Если выход блока 13 критерийной обработки находится в единичном состоянии (фазовый сдвиг входных напряжений U и Uj близок к 360°), то строб с выхода третьего формирователя 12 проходит . через третий элемент И 14 и второй элемент ИЛИ 15 на S-вход первого RS-триггера 3, устанавливая его в единичное состояние. Если выход блока 13 критерийной обработки находится в нулевом состоянии (фазовьй сдвиг входных напряжений U;, и Uj близок к 0° ), то строб с выхода третьего формирователя 12 проходит .через четвертый элемент И 16 и третий элемент ИЛИ 17 на R-вход первого RS-триггера 3, устанавливая его в нулевое состояние. Кроме того, указанный строб либо с выхода третьего элемента И 14, либо с выхода четвертого элемента И 16 проходит через первый элемент ИЛИ 6 на R-вход второго RS-триггера 4 и возвращает его в нулевое состояние. Напряжение логического О, поступающее с прямого выхода второго RS-триггера 4 на управляющий вход коммутатора 11, вызывает подключение к входу фильтра 10 постоянной составляющей прямого выхода первого RS-триггера 3.

Таким образом, под воздействием строба с выхода третьего формирователя 12 первый RS-триггер 3 устанавливается в состояние, соответствующее состоянию выхода блока 13 критерийной обработки, второй RS-триггер 4 возвращается в нулевое состояние и на вход фильтра 10 постоянной составляющей подключается прямой выход первого RS-триггера 3. Состояние сигнала на выходе коммутатора 11 (фиг.Зк) до конца периода входных напряжений U, и Uj не изменяется. Описанное функционирование устройства - режим 2).

Известно, что переходный процесс в RS-триггерах длится примерно 2tjp где Зр - задержка распространения сигнала. Вследствие этого длитель-, ность импульсов, воздействующих на R- и S-входы, должна быть не менее 2tjp . Как указывалось ранее,, длительность импульсов, формируемых на выходах первого формирователя 1 и второго формирователя 2, выбирается равной (4-5) tjp . Поэтому при временном

совпадении указанных импульсов менее чем на 50% их длительности, длительность импульса с выхода первого элемента И 5 окажется недостаточной для возведения второго RS-григгера 4 в единичное состояние. В то же время первый RS-триггер- будет работать без сбоев, так как после окончания воздействия на соотвегствующий вход первого RS-триггера 3 опережающего импульса, на другой вход воздействует отстающий импульс. Это воздействие будет продолжаться в течение времени не менее Ztjp . Этого времени достаточно, чтобы переходные процессы Б первом RS-триггер.е 3 закончились, и он установился в соответствующее состояние. Устройство будет функдиониро1зать согласно описанию релсима 1 ,

При временном совпадении импульсов с выходов первого формирователя 1 и второго формирователя 2 более чем на 50% их. длительности второй RS-триггер 4 будет, устанавливаться в единичное состояние и функционирование устройства будет происходит согласно описанию режима 2. При этом в устройстве будет иметь место так называемая зона неопределенности шириной 4tjp -5t-.,p jB которой фазовому сдвигу присваивается значение либо 360, либо 0°, Причем середине зоны неопределенности соответствует полное (100%-ное) временное совпадение импульсов с выходов первого формирователя 1 и второго формирователя 2} т.е. граница 360-0° шкалы устройства,

В результате анализа в блоке 13 критерийной обработки взаимного временного расположения импульсов с выходов первого формирователя 1 и второго формирователя 2 на некото- рой совокупности периодов входных напряжений U, и Ug, на его выходе формируется напряжение логической 1 при фазовом сдвиге входных напряжений и , и Uj 5 близком к 360° и напряжение логического О при фазовом сдвиге, близком к 0°.

Блок 3 критерийной обработк.и (фиг. 2) содержит элемент И(ЖЛЮЧА10- ЩЕЕ ШШ 18, регистр 19 сдвига, эле- мент НЕ. 20, первые входы которых объединены с первым входом блока 13 соединенным с выходом одновибратора

7 J, при зтом С-вход регистра 19 и вторые объединенные входы элементов И 21 и 22 соединены с выходом формирователя 1 данного фазометра и являются вторым входом блока13, .выходы элементов 18 и 20 соединены с третьими входами элементов 21 и 22, выходы которых соединены с входми (+1) и (-I) счетчика 23, а трети вход первого и первый вход второго объединены, выход формирователя 24 через элемент ИЛИ 25 соединен с установочным входом счетчика 23, выходы которого соединены с первым входом элемента ИЛИ 26 и S-входом RS-триггера 27, R-вход которого соединен с выходом элемента 26, инверсный выход соединен с входом К-г разряда счетчика 23, а прямой выход является выходом блока 13 и соеди- ген с входом коммутатора 11 и элемента 14 фазометра, при этом второй вход элемента 26 соединен с R-EXO- дом регистра 19,с вторым входом элемента 25 и клавишей Уст. 28.

Блок 13 работает следующим образом.

№ пульс с выхода одновибратора 7 поступает на информационный вход регистра 19 сдвига, на вход синхронизации которого поступает импульс с выхода первого формирователя 1. П фронту импульса, поступающего с выхода первого формирователя 1, в первый разряд регистра 19 сдвига заносится либо логическая 1,либо ло .гический О в зависимости- от вза-- г-шного временного расположения импульсов с выходов одновибратора 7 и первого формирователя 1. При возрастании фазо.вого сдвига до 360° и переходе через.границу 360-0° шкалы устройства, в пределах зоны неопределенности вероятность р. занесения логической 1 в первый разряд регистра 19 сдвига монотонно убывает от 1 до Oj а вероятность р занесеНИИ логического О монотонно возрастает от О до 1. Причем в середине зоны неопределенности эти вероятности равны между собой и равны :i , О 5 5 5 т.е.

Р., Р, 0,5

Решение о формировании на выходе блока 13 критерийной обработки напряжения логической 1 или логичес7

кого о принимается путем подсчета числа единиц, занесенных в регистр 19 сдвига, имеюпщй m разрядов, за m периодов и сравнения полученной суммы с пороговыми числами п и п. Критерием формирования логической 1 является увеличение указанной суммы до п , а критерием формирования логического О является уменьшение суммы до п.

Число периодов m выбирается таким, чтобы решение о формировании выходного напряжения блока 13 кри- терийной обработки определялось занесением логического О или логической 1 на данном периоде входны напряжений 1) и U, не зависело от результатов занесения логического О или логической 1 на предыдущи (га-1) периодах (т.е. процесс занесения информации в регистр 19 сдвига статистически описывается цепью

Маркова), а также, чтобы отношение n/m приближалось к вероятности занесения логической 1. Переключение напряжения на выходе блока 13 критерийной обработки из логического О в логическую 1 происходи при достижении количества единиц в регистре 19 сдвига величины п. А переключение напряжения на выходе блока 13 критерийной обработки из логической 1 в логический О происходит при уменьшении количества единиц в регистре 19 сдвига до величины п. Это необходимо для установки влияния дисперсии количества единиц в регистре 19 сдвига на принимаемое решение. Числа п и п, выЛ

рабатьгоаются исходя из следующих соотношений :

% (1 - 2)6„,

где п - наиболее вероятное, количество единиц в регистре 19 сдв га при полном совпадении импульсов с выходов формирователя 1 и формирователя 2, т.е. при фазовом сдвиге, ра ном 360° или 0°, при этом п р, m 0,5 т;

6п среднеквадратично е отклонение количества единиц в регистре 19 сдвига, равное

б( тр (1-р, ).

0

363878

Например, при m 16, р 0,5 получаем:

6- 2, тогда п ,. п + 1,5 б 11J

п п - -1,56, 5.

5 Описанный алгоритм принятия решения реализован в блоке 13 критерийной обработки следующим образом.Перед началом работы установка блока 13 критерийной обработки в исходное со0 стояние осуществляется нажатием кла,- виаш УСТ 28. При этом напряжение логической единицы от источника питания поступает на R-вход регистра 19 сдвига и через пятый элемент ИЛИ

5 26 - на R-вход третьего RS-триггера 27, устанавливая их в нулевое состояние. Прямой выход третьего RS- триггера 27 является выходом блока 13 критерийной обработки. Кроме того,

0 напряжение логической 1 через четвертый элемент 1ШИ 25 поступает на установочный вход счетчика 23. При этом, поскольку на входы 1-(q-2)-ro разрядов счетчика 23 подано напря5 жение логического нуля от источника питания, а входы (q-l)-ro разряда и q-ro разряда подключены к инверсному и прямому выходам третьего RS-триггера 27 соответственно, то

0 (я-1)-й разряд счетчика 23 устанавливается в единичное состояние, а остальные разряды - в нулевое состояние . Число разрядов q счетчика 23 выбирается из соотношения: q

logjm-l (если результат логарифмирования дробный, то он округляется до целого с избытком). Тем самым счетчик 23 устанавливается в состояние 2

а-1

2 - 1 - п,, т.е. 11,

°

1.

выбирается равным п

При отпускании клавиши УСТ, в регистр 19 сдвига начинают заноситься

зависимости от взаимного временного расположения импульсов с выхода одновибратора 7 и с выхода первого формирователя 1. Кроме того, импульс с выхода одновнбратора 7 поступает на первый вход элемента ИСКГПОЧЛЮ- ЩЕЕ 11ГШ 18, на второй вход которого поступает сигнал с выхода последнего т-го разряда регистра 19 сдвига. Выход элемента ИСКЛЮЧ ШДЕЕ ИЛИ 18 соединен с первыми входами пятого элемента И 21 и шестого элемента И . 22. На второй вход пятого элемента И 21 поступает iмпyльc с выхода одновибратора 7. Этот же импульс.

прошедший через второй элемент НЕ 20, поступает на второй вход шестого элемента И 22„ На третьи входы пятого элемента И 21 и шестого элемента И 22 поступает импульс с вы- хода первого формирователя 1. Выход пятого элемента И 21 соединен с динамическим входом +1 счетчика

23J а вь ход шестого элемента И 22 соединен с динамическим входом 1 счетчика 23,. Такач образом, если в первый разряд регистра 19 сдвига заносится логическая 1, а из т-го разряда выводится логический О,

то на выходе пятого элемента И 21 возникаел. сигнал по которому состояние слгетчик. 23 увеличивается на единицу о Если в первый разряд регистра 19 сдвига заносится логический а иэ m-1 o разряда выводит- ся логическая I, то на выходе шестого элемента 22 И возникает сигнал (фиг.Зе),, по которому состояние счетчика 23 уменьшается на единицу. Если Е первый разряд регистра 19 сдвига заносится,,, а из т-го разряда выводится одинаковое значение ин- фop 5aцииJ то состояние счетчика 23 не изменяется, так как сигнал логического О с выхода элемента ИС- КЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, 18 блокирует распространение управляющих счетом сиг - на.яов через пятый элемент И 21 и шестой элемент И 22.

Выход блока 13 критерийной обра- бстки будет находиться в установленном состоянии до тех пор, пока количество единиц в регистре не достигнет -1исла п, , При этом на выходе переноса CR-счетчика возникнет ситная, поступающий на S-вход третьего RS-триггера 27. Сигнал логического О с инверсного выхода третьего RS-триггера 27 поступает на, вход()-го разряда счетчика 23. Сигнал логической 1 с прямого выхода третьего КЗ-триггера 27 (фиг.З поступает ка выход блока 13 крите- рийкой обработки, на вход q-ro разряда счетчика 23 я на вход четвер- того форлМИрователя 24, Формировател

24формирует короткие импульсы по возрастатацему и ниспадающему фронта входного сигнала, Короткий импульс

с выхода четвертого формирователя 24 через четвертый элемент ИЛИ 25 поступает на установочный вход счетчика 23. Счетчик 23 переходит в сос .;

123638710

тояние 2. До заполнения регистра 19.

сдвига единицами на счетчик 23 может поступить еще

41 Ч- m-n, 2 +1 2 -1

импульсов на динамический вход +1 счетчика 23. Поэтому состояние счетчика 23 не достигнет максимального

значения выходного кода, равного

1

2 и сигнал CR не будет сформирован. Таким образом, состоянию счечика 23, равному 2, всегда будет соответствовать п 2 + 1 единиц в регистре 19 сдвига.Вследствие этого при уменьшении количества единиц в регистре 19 сдвига до значения п - 1, состояние счетчика 23 уменьшится до 0. На выходе заема BR возникает сигнал, который через пятый элемент ИЛИ 26 поступает на R-вход третьего RS-тригера 27, переводя его в нулевое состояние. Опрокидывание третьего RS-триггера вызовет изменение состояния выхода блока 13 критерийной обработки, а также возникновение на выходе четвертого формирователя 24 короткого импульса, который через четвертый элемент ИЛИ 25 установит счетчик 23 в состояние 2 , Дальнейшее уменьшение числа единиц Б регистре 19 сдвига до нуля не вызвет уменьшения выходного кода счетчика 23 до нулевого значения и появления сигнала заема. Поэтому формирование сигнала переноса счетчика 23 произойдет при увеличен1ги числа единиц в регистре 19 сдвига до п, 2 - 1.

Такргм образом, на выходе блока 1 критерийной обработки имеют место переключения выходного напряжения при переходе значения сдвига фаз входных напряжений U, и U через границу шка.г1Ь устройства 0-360° в т или иную сторону.

Аналогичные переключения состояния выхода блока 13 критерийной обработки будут иметь место при сдвиге фаз входных напряжений U, и Uj, определяемом длительностью импульса с выхода одновибратора 7. Однако в этот момент состояние выхода блока 13 критерийной обработки не учитывается при формировании выходного напряжения устройства. Поэтому длительность импульса с выхода одновибратора 7 жестко не регламентируется

11

и может быть выбрана в довольно широких пределах.

Таким образом, достоинство предлагаемого фазометра заключается в том, что при фазовьрс сдвигах, близких к 360-0°, когда имеет место совпадение во времени импульсов с выходов первого 1 и второго 2 формирователей, в устройстве производится формирование вьпсодного напряжения в соответствии с состоянием выхода блока 13 к итерийной обработки, что позволило уменьшить пшри ну зоны нечувствительности до величины, равной половине длительности импульсов на выходах первого 1 и второго 2 формирователей.. Кроме того, введение блока 13 критерийной обработки позволило производить измерения при фазовых сдвигах, близких к 360 и 0°j а зона нечувствительности фазометра сокращается в 2-6 раз.

Формула изобретения

Фазометр, содержащий первьп и второй формирователи, входы которых являются входами фазометра, лервый и второй RS-триггеры, одно- вибратор, инвертор, элемент ИЛИ, фильтр постоянной составляющей, выход которого является выходом фазометра, первый и второй элементы И, причем выход первого элемента И соединен с входом S второго RS-тригге- ра, о т л и чаю щ и и с я тем, что, с целью повышения точности за счет уменьшения зоны нечувствитель23638712

нести, в него введены коммутатор, блок критериальной обработки, тре- ,тий формирователь, второй и третий элементы ИЛИ, третий и четвертый 5 элементы И, при этом выход первого формирователя через последовательно соединенные второй элемент ИЛИ и пер вый RS-триггер соединен с первым входом коммутатора, выход которого

10 соединен с входом фильтра постоянной составляющей, кроме того выход первого формирователя соединен с первым входом первого элемента И и первьм входом блока критериальной

15 обработки, выход которого через последовательно соединенные инвертор, четвертый элемент И, первый элемент ИЛИ и второй RS-триггер соединен с управляющим .входом коммутатора и

20 первьи входом второго элемента И,выход которого соединен с вторыми входами третьего и четвертого элементов И, первый вход третьего элемента И и второй вход коммутатора сое25 динены с выходом блока критериальной обработки, выход третьего элемента И соединен с вторыми входами первого и второго элементов ИЛИ, выход второго формирователя через третий эле3|Э мент ИЛИ соединен с R-входом первого RS-триггера и с вторым входом первого элемента И, а через последовательно соединенные одновибратор и третий формирователь - с Вторым входом второго элемента И,причем выход одновйбратора соединен с вторым входом блока критериальной обработки, а выход четвертого элемента И - с вторым входом третьего элемента ШШ.

35

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при построении автономных приборов для измерения фазовых сдвигов, а та:кже автоматизированньпс систем управления и контроля. Цель изобретения - повьшение точности измерения достигается за счет уменьшения зоны нечувствительности фазометра, возникамщей на краях диапазона при сдвигах фаз сигналов,близких к. 360°. Фазометр содержит формирователи 1 и 2, Рч8-триггеры 3 и 4, элементы И 5 и 9, элемент ЯПИ 6, од- новибратор 7, инвертор 8, фильтр 10 постоянной составляющей. Для достижения цели в фазометр введены коммутатор 11, третий формирователь 12, блок 13 критерийной обработки, элементы И 14 и 16 и элементы ИЛИ 15 и 17. Введение блока 13 позволило производить измерения при фазовых сдвигах, близких к 360° и к 0. При зтом зона нечувствительности фазометра сокращается в 2-6 раз. Функциональная схема блока 13 приводится в описании изобретения. 3 ил. а g СО