Устройство для измерения сдвига фаз Советский патент 1987 года по МПК G01R25/00 

Изобретение относится к измерительной технике, конкретно к фазоиз- мерительным устройствам, и предназначено для использования в измерительных устройствах автоматика и для измерения угла сдвига фаз в диапазоне от -90 до +90.

Цель изобретения - повышение точности измерения сдвига фаз путем комния с первыми входами двух компара торов 16.1 и 16.2, выход первого к паратора 16.1 соединен с первыми в дами элемента И 17 и элемента ИЛИ- НЕ 18, выход второго компаратора с динен с вторыми входами элемента И 17 и элемента ИЛИ-НЕ 1&. Выходы элементов 17 и 18 соответственно с динены с первыми входами второго и

пенсации нелинейности выходных харак- О третьего элементов И 19.1 и 19.2,

теристик фазового детектора и управляемого фазовращателя.

На фиг.1 представлена структурная схема устройства; на фиг. 2 - схема порогового блока; на фиг. 3 - диаграмма, поясняющая режимы работы блока суммирования.

Устройство для измерения сдвига фаз содержит последовательно соединенные усилитель-ограничитель 1, уп- равляемый фазовращатель 2, компенсирующий фазовращатель 3, фазовый деОпорный и измеряемый сигналы поступают на соответствующие входы устройства, с помощью усилителей-ограничителей 1 и 5 усиливаются и ограго детектора 4. Причем опорный сигнал после усилителя-ограничителя 1 проходит управляемый фазовращатель

тектор 4. Другой вход фазового детектора 4 соединен с выходом усилителя- 25 ничиваются по амплитуде и поступа- ограничителя 5, а выход фазового де- ют на соответствующие входы фазово- тектора 4 соединен с первым входом порогового блока 6, второй вход ко- , торого соединен с генератором 7 импульсов. Выходы порогового блока .6 ЗО 2, где получает определенный сдвиг, соединены с соответствующими входами и компенсирующий фазовращатель 3, реверсивного счетчика 8, информацион- где осуществляется сдвиг фазы опорные вькоды которого соединены с уп- ного сигнала на 90° плюс угол, ком- равляющими входами управляемого фазо- пенсирующий разность статических на- вращателя 2 и первыми управляющими ос бегов фаз измерительного и опорного входами блока 9 суммирования, второй вход которого соединен с выходом фазового детектора 4. Блок 9 суммирования состоит из последовательно соединенных источника 10 постоянного 40 торого соответствует сдвигу фаз опор- напряжения и п делителей 11 напряже- ного и измеряемого сигналов. Выходканалов устройства. Фазовый детектор 4 сравнивает фазы опорного и измерительного сигналов и на его выходе появляется сигнал, амплитуда кония, выход каждого из которых соединен с соответствукщим входом аналогового мультиплексора 12. Выход аналогового мультиплексора 12 соединен с одним из входов операционного-усилителя 13, другой вход которого является первым входом блока 9 суммированой сигнал фазового детектора 4 поступает на вход блока 6, а значит, на соответствующие входы компарато- 45 ров 16.1, 16.2, Пороги срабатывания компараторов установлены с помощью источника 14 постоянного напряжения и резистивных делителей 15.1 и 15.2 напряжения и равны один U. , а дру кия и соединен с выходом фазового детектора 4, причем управляющие входы 50 гой U (фиг.З). Тогда выходной сиг- аналогового мультиплексора 12 являют- нал с фазового детектора 4 в зависи- ся другими входами блока 9 суммирования. Выход операционного усилителя 13 является выходом блока 9 суммирования и всего устройства в целом.

мости от своей амплитуды может попасть в один из трех амплитудных диапазонов: О-,5,&, границы которых 55 определяются нулем, порогами сраба- тьшания компараторов 16.1 и 16.2 Uy и Ug и ма ксимальной величиной амплитуды выходного сигнала фазового детектора 4 U , (фиг.З). Каждому

В состав порогового блока 6 входит источник 14 по стоянного напряжения, два выхода которого соединены через делители 15.1 и 15.2 напряжения с первыми входами двух компараторов 16.1 и 16.2, выход первого компаратора 16.1 соединен с первыми входами элемента И 17 и элемента ИЛИ- НЕ 18, выход второго компаратора соединен с вторыми входами элемента И 17 и элемента ИЛИ-НЕ 1&. Выходы элементов 17 и 18 соответственно соединены с первыми входами второго и

i вторые входы которых обьединены и являются вторым входом блока 6, первый вход которого соединен с вторыми входами первого и втор.ого компа- раторов, выходом блока 6 являются выходы второго и третьего элементов И 19.1 и 19.2.

Устройство для измерения сдвига фаз работает следуюиц1м образом.

Опорный и измеряемый сигналы пос тупают на соответствующие входы устройства, с помощью усилителей-ограничителей 1 и 5 усиливаются и ограничиваются по амплитуде и поступа- ют на соответствующие входы фазово- 2, где получает определенный сдвиг, и компенсирующий фазовращатель 3, где осуществляется сдвиг фазы опорного сигнала на 90° плюс угол, ком- пенсирующий разность статических на- бегов фаз измерительного и опорного торого соответствует сдвигу фаз опор- ного и измеряемого сигналов. Выходго детектора 4. Причем опорный сигнал после усилителя-ограничителя 1 проходит управляемый фазовращатель

ничиваются по амплитуде и поступа- ют на соответствующие входы фазово- 2, где получает определенный сдвиг, и компенсирующий фазовращатель 3, где осуществляется сдвиг фазы опорного сигнала на 90° плюс угол, ком- пенсирующий разность статических на- бегов фаз измерительного и опорного торого соответствует сдвигу фаз опор ного и измеряемого сигналов. Выходничиваются по амплитуде и поступа- ют на соответствующие входы фазово- 2, где получает определенный сдвиг, и компенсирующий фазовращатель 3, где осуществляется сдвиг фазы опорного сигнала на 90° плюс угол, ком- пенсирующий разность статических на- бегов фаз измерительного и опорного торого соответствует сдвигу фаз опор- ного и измеряемого сигналов. Выходканалов устройства. Фазовый детектор 4 сравнивает фазы опорного и измерительного сигналов и на его выходе появляется сигнал, амплитуда коной сигнал фазового детектора 4 поступает на вход блока 6, а значит, на соответствующие входы компарато- ров 16.1, 16.2, Пороги срабатывания компараторов установлены с помощью источника 14 постоянного напряжения и резистивных делителей 15.1 и 15.2 напряжения и равны один U. , а другой U (фиг.З). Тогда выходной сиг- нал с фазового детектора 4 в зависи-

гой U (фиг.З). Тогда выходной сиг- нал с фазового детектора 4 в зависи-

мости от своей амплитуды может попасть в один из трех амплитудных диапазонов: О-,5,&, границы которых определяются нулем, порогами сраба- тьшания компараторов 16.1 и 16.2 Uy и Ug и ма ксимальной величиной амплитуды выходного сигнала фазового детектора 4 U , (фиг.З). Каждому

из этих диапазонов соответствует свой код на выходах компараторов 16 и 16.2. Так, диапазону а соответствует код 11, диапазону - 01, диапазону Ь - 00 (фиг.З). Пусть выходной сигнал фазового детектора 4 попадет в диапазон сх, тогда на выходе элемента И 17 появится сигнал соответствующий уровню 1, и на вы- ходе соответствующего элемента И 19 появится импульс генератора 7 импульсов, поступакяций на второй вход порогового блока 6. Импульс с выхода соответствующего элемента И 19 пос- тупит на суммирующий вход реверсив- ного счетчика 8, в соответствии с чем на его выходе цифровой код увеличится на 1, а это значит, что управляемый фазовращатель 2 увеличит угол сдвига фазы опорного сигнала. Так как сдвиг фазы опорного сигнала увеличился, то амплитуда выходного сигнала фазового детектора 4 уменьшится, а это значит, что выходной сигнал фазового детектора 4 может попасть в амплитудный диапазон (5 .Если этого не произошло, то следующий импульс генератора 7 импульсов снова поступит через пороговый блок 8 на суммирующий вход реверсивного счетчика 8 и весь процесс работы повторится снова. Так будет повторяться до тех пор, пока выходной сигнал фазового детектора 4 не попадет в амгшитудньш диапазон 5 , Если выходной сигнал фазового детектора 4 попал в амплитудный диапазон Ь , то процесс работы происходит аналогично описанному с той лишь разницей, что открыва ется элемент ИЛИ-НЕ 18 и. другой элемент И 19 и импульс с генератора 7 импульсов поступает на вычитающий вход реверсивного счетчика 8, который уменьшает на 1 циф- ровой код на своем выходе, а значит, угол сдвига фаз управляемого фазовращателя 2 уменьшится, следовательно, амплитуда выходного сигнала фазового детектора 4 увеличится. Так будет продолжаться до тех пор, пока выходной сигнал фазового детектора 4 не

С5-.

попадет в амплитудньй диапазон

Таким образом, какой бы ни бьша амплитуда выходного сигнала фазового детектора 4, ее величина, спустя некоторое время, обязательно будет лежать в границах амплитудного диапазона S (фиг.З).

Цифровой код, соответствующий углу сдвига фаз управляемого фазовращателя 2, поступает на управляющие входы аналогового мультиплексора 12, который на вход операционного усилителя 13 в соответствии с этим кодом подключает выход соответствующего ре- зистивного делителя 11 напряжения. Операционный усилитель 13 суммирует напряжение с выхода соответствующего резистиБНОго делителя 11 напряжения с напряжением выходного сигнала фазового детектора 4 и их сумму усиливает и подает на выход всего уст ройства.

Пусть угол сдвига фаз входных сиг- налов предлагаемого устройства равен 1 , тогда угол сдвига фаз входных сигналов фазового детектора 4 равен

ci 1 - Pi

где ДЧ){ - угол сдвига фазы опорного

сигнала, вносимый управляе- мьгм фазовращателем 2, соответствующий i-му дискретному положению фазовращателя . Если сигналы на входах фазового

детектора 4 меняются по законам

UQ А cos (2 +0t); Uj А cos (u)t + Ы),

где А - уровень амплитудного ограничения усилителей-ограничителей 1 и 5;

иЗ- частота входных сигналовj tt - угол сдвига фаз, измеряемый

фазовым детектором 4, то на выходе фазового детектора 4 имеется сигнал

К sind ,

1 , . . | , 2Q25JQ Q50

сгде К - коэффициент передачи фазового детектора 4.

Если допустимая погрешность измерения угла сдвига фаз равна л d то динамический диапазон измерения фазы устройством определяется по формуле. .

о

I , 3 Г 3 г-,

Т.е. .

Таким образом, в пределах этого диапазона изменения угла сдвига фаз выходной сигнал фазового детектора

.с любой наперед заданной погреш- костью К4Ы пропорционален углу сдвига фаз о1 .

-rf

Так как выходной сигнал фазового Детектора 4 в устройстве . меняется от О до

и

мсхкс

то величине соответствует угол сдвига фаз ТГ/2, .нулю соответствует угол сдвига фаз , величине .и, соответствует угол .сдвига фаз, равный нулю. Тогда пороги срабатывания порогового блока 6 и и Ug устанавливаются на границах линейного диапазона работы фазового детектора 4 с, по формуле

и

JpS. + к

и. -IJp - ,

а выходной сигнал фазо-вого детектора 4 обязательно попадет в амплитудный диапазон 5(фиг.З), границы которого определяются уровнями U и U, при этом выходной сигнал фазового детектора 4 будет прямо пропорционален углу сдвига фаз Ы входных сигналов фазового детектора 4; для учета угла сдвига фаз, вносимого управляемым фазовращателем 2, в устройство для измерения сдвига фаз введен блок 9 суммирования, который преобразует угол сдвига фаз, вносимый в опорный сигнал управляемым фазовращателем 2, в напряжение, амплитуда которого соответствует углу сдвига фаз управляемого фазовращателя 2Лф ; в масштабе выходного сигнала фазового детектора 4 и

бых

Кс. . Это достигается

тем, что каждый из п резистивных делителей И напряжения подбирается таким образом, чтобы напряжение на его выходе соответствовало соответствующему углу сдвига фаз мого фазовращателя 2, который одно- значно определяется цифровым кодом. на его управляющих входах. В качестве управляемого фазовращателя 2 используется дискретный фазовращатель на п положений.

Напряжение на выходе фазового детектора 4 равно

JBWX K.uv ,

где К - коэффициент пропорциональности ;

5

0

5

0

5

0

5

0

5

U с - угол сдвига фазы опорного сигнала, вносимый фазовращателем 2 и соответствующий 1-му дискретному положению фазовращателя. На выходе- устройства появляется сигнал

и 1(Ко1+ КдФ;) 1 КСЫ +ДМ) 1 К-1 .

где I - коэффициент усиления операционного усилителя 13; | - угол сдвига фаз между

входными сигналами устройства.

Период Т следования импульсов генератора 7 импульсов выбирается таким образом, чтобы Т t(., где -срлд время, необходимое для срабатывания реверсивного счетчика 8, управляемого фазовращателем 2, фазового детектора 4 и порогового блока 6 .

Дискретность установки фазы управляемым фазовращателем 2 выбирается равной величине линейного диапазона работы фазового детектора 4 и равна (.ЛГбй« , где дЫ- допустимая погрешность измерения сдвига фаз.

Формула изобр етения

1 .Устройство для измерения сдвига фаз состоящее из. последовательно соединенных управляемого фазовращателя, компенсационного фазовращателя, фазового-: детектора и порогового элемента, к второму входу которого подключен генератор, а выходы порогового элемента соединены-соответственно со счетными входами реверсивного счетчика, отличающее ся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены два усилителя-ограничителя, входы- которых являются входами устройства, блок суммирования, информационные которого объединены соответственно с входами управляемого фазовращателя и выходами реверсивного счетчика, а выход фазового детектора соединен с вторым входом блока суммирования,выход которого является выходом всего устройства.

2. Устройство по П.1, о т ли - чающееся тем, что блок, суммирования состоит из аналогового мультиплексора, операционного усшштеля, источника постоянного напряжения, последовательно соединенного с п делителями напряжения, выход каждого из которых соединен с соответствующим входом аналогового мультиплексора, выход которого соединен с одним из входов операционного усилителя, другой вход которого является первым входом бло::а суммирования, а управляющие входы аналогового мультиплексора являются другими входами блока суммирования, причем выход операционного усилителя является выходом всего блока суммирования.

Изобретение относится к измерительной технике. Цель - повышение точности измерения сдвига фаз. Устройство для измерения сдвига фаз содержит управляемый фазовращатель (Ф) 2, компенсирующий Ф 3, фазовый детектор 4, пороговый блок (Б) 6,генератор 7 импульсов, реверсивный счетчик 8. Цель достигается тем,что в него введены усилители-ограничители 1,5 и Б сум1«1рова1шя 9, включающий источник постоянного напряжения, п делителей напряжения I1, мультипликатор 12 и операционный усилитель 13. В описании изобретения даны математические зависимости измеряемых, величин. Изобретение предназначено для использования в измерительных устройствах автоматики и для измерения угла сдвига фаз в диапазоне от -90 до +90°. 1 з.п.ф-лы, 3 ил. UaiM i W кэ 00 ел CAD

Фиг. г ,

ко МП араторо S ft

т-т,

00

:I

фиг. 3

Редактор С.Пекарь

Составитель А.Шубин Техред и. Попович

Заказ 7639/44 Тираж 730Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

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

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная, 4 .

Корректор Л. Пилипенко