Цифровой фазометр Советский патент 1987 года по МПК G01R25/00 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к фазометрам, и может быть использовано для измерений фазовых сдвигов исследуемых сигналов,

Целью изобретения является увеличение точности измерения фазового сдвига входных сигналов.

На фиг.1 представлена блок-схема устройства; на фиг.2 - то же, блока управления.

Цифровой фазометр состоит, из формирователя 1, блока 2 управления, первого и второго электронных ключей 3 и 4, реверсивного счетчика 5 импульсов, первого и второго регистров 6 и 7 сдвига, блока 8 регистрации и генератора 9 т.1пульсов.

Выходы формирователя 1 соединены с первым и вторым входами блока 2 управления, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первыми входами первого и второго электронных ключей 3 и 4, вторые вхо- жы которых соединены с третьим входом блока 2 управления и выходом генератора 9 импульсов, а выходы первого и второго ключей 3 и 4 соединены

соответственно с входами сложения и I вычитания реверсивного счетчика 5, вы выход которого соединен с четвертым входом блока 2 управления. Группа информационных входов реверсивного счет счетчика 5 соединена с группой выходов регистра 7 сдвига, группа информационных входов которого соединена с группой информационных выходов реверсивного счетчика 5, а первый и второй управляющие входы соединены с третьим и четвертым выходами блока 2 управления, пятый и шестой выходы которого соединены с первым и вторым управляющими входами реверсивного счетчика 5, седьмой и восьмой выходы блока 2 управления соединены с входами регистра 6 сдвига, группа выходов которого соединена с группой входов блока В регистрации, управляющий вход которого соединен с девятым выходом блока 2 управления.

Устройство работает следующим образом.

На вход формирователя 1 поступают синусоидальные сигналы U, и U.;, с частотой F, фазовый сдвиг Cf, между которыми нужно из ерить. Формирователь 1 преобразует входные синусоидальные сигналы в прямоугольные им

пульсы с длительностью t-, , пропорциональной измеряемому фазовому сдвигу Lp между сигналами U, и Ug (без учета текущего значения периода 1Ъ исследуемых сигналов), и прямоугольные импульсы с длительностью t, , равной половине периода исследуемых сигналов. Эти импульсы поступают на блок 2 управления. Затем, в следующем через один период исследуемого сигнала, блок 2 управления формирует прямоугольный импульс с длительностью 11 , которая равна периоду Т исследуемых сигналов. С помощью электронных ключей 3 и 4, и генератора 9 импульсов длительности импульсов Г, и 2 Е преобразуются в число-импульсные коды N , и N 2

соответственно,

5

0

5

0

5

0

5

0

т.е.

N,

KB

N,2 г.

fКб;где

частота генератора 9 импульсов, (символы N, и N,, применяются и для обозначения соответствующих им двоичных кодов), Сначала в число-импульсный код N,преобразуется длительность импульса б, (фазовый интервал К, ), значение которой соответствует изме- ряемо му фазовому сдвигу ц (без учета текущего значения частоты (периода) исследуемых сигналов). Этот число- импульсный код через электронный ключ 3 поступает на вход сложения реверсивного счетчика 5 импульсов. После окончания импульса Г, записанный в реверсивном счетчике 5 импульсов двот ичный код N, переписывается в регистр 7 сдвига и сдвигается в нем на рдин разряд влево (в сторону . старших разрядов). Это эквивалентно умножении значения кода N, на два. Затем полученный параллельный двоич- ный код 2N( переписывается из регистра 7 сдвига в реверсивиий счетчик 5 импульсов. После этого на вход вычитания реверсивпого счетчика 5 импульсов через электронный ключ 4 начинает поступать число-импульсный код N, соответствующий периоду исследуемого сигнала Т. Значение этого кода является текущим числовым эквивалентом меры фазового сдвига 360 . Таким образом, в .реверсивном счетчике liM- пульсов 5 осуществляется одновременно запись число-импульсного кода периода и его вычитание из удвоенного значения двоичного кода фазового интервала, т.е. определяется и фиксируется код разности . Сравнение удвоенного значения кода фазового интервала 2N, с числовым эквивалентом меры фазового сдвига 360 -N,, эквивалентно (с точки зрения знака разности) сравнению значения кода N, с числовым эквивалентом меры фа- зового сдвига 180 (), т.е. величина 2N, о/- а, эквивалентна величине N, ot., а гдесС оС, с6( - знаки разностей, а,- значение Полученной разности. Таким образом, в результате первого сравнения удвоенного значения кода измеренного фазового сдвига 2N, со значением кода N определяется больше или меньше измеряемый фазовый сдвиг чем 180 эл.град. Знак разности фиксируется в разряде заема реверсивного счетчика 5 импульсов. Если величина 2N(- Nj О ( эл.град), то код этой разности переписывается из реверсив- ного счетчика 5 импульсов в регистр 6 сдвига, а в первый (младший) разряд регистра сдвига 7 записывается единица.

Пусть разность 2N,-N , т.е. измеряемый фазовый сдвиг меньше 180 эл.град. При этом в первый разряд регистра 6 сдвига запишется нуль, а в регистре 7 сдвига останется прежнее значение двоичного кода 2N,. После сдвига на один разряд влево (в сторону старших разрядов) в регистре 7 сдвига будет зафиксирован двоичный код 2 (2 N,)4 N,. Затем двоичный код 4 NI перепишется в реверсивный счет- чик 5 импульсов. После этого на его вход вычитания начинает поступать очередной число-импульсный код N, сформированный в следующем через один, т.е. в пятом периоде с начала измерения. Во втором цикле работы устройства в реверсивном счетчике 5 импульсов производится вычисление разности 4 N(-N2 4 -ос , а. С точки зрени знака последняя разность эквивалент- на разности N,- 0,; а, где « - oi oi . В этом случае сравнение двоичного кода 4 N,c двоичным кодом N эквивалентно сравнению значения кода измеряемого фазового сдвига N, с чис- ловым эквивалентом фазового сдвига 90 эл.град. (N2/4). Пусть разность 4 N,- . Тогда в младший разряд регистра 6 сдвига запишется единица, а код разности 4 N,- N перепишется в регистр 7 сдвига. Затем производится сдвиг содержимого обоих регистров на один разряд влево. При этом в регистре 7 сдвига будет зафиксирован

двоичный код 2(4.), я в регистре 6 сдвига двоичшлй код 000.,.010 (старшие разряды расположены слева). Затем двоичный код 2(4.N,- NJ) переписывается в реверсивньш счетчик 5 импульсов и на его вход вычитания начинает поступать число-импульсный код N, сформированный в следуюшем через один период исследуемых сигналов. Таким образом, в каждом i-M цикле работы устройства произво-. дится сравнение значения измеряемого фазового сдвига N, (или его остатков а, от предыдущих сравнений) со значением числового эквивалента меры фазового сдвига 360 /2 (), т.е. в i-M цикле работы устройства вычисляется разность

2а,, -N 2V;a-,- ,

(1)

которая с точки зрения энака разности эквивалентна разности

а-, о(; а. .

(2)

При этом в каждом i-м цикле вычисле-. ния будет использовано одно и то же число N2, являющееся в каждЬм i-M цикле числовым эквивалентом меры фазового сдвига 360 /2 (удвоение в каждом i-M цикле работы устройства результата разности (1) не приводит к увеличению числа двоичных разрядов фазометра более чем на один, так как разность (1) после умножения на 2 не может превьш1ать значения 2 ).

Блок 2 управления содержит 5 RS- триггеров 10-14, 8 элементов И 15-22, 3 элемента НЕ 23-25, 2 элемента ИЛИ 26 и 27, 11 формирователей 28-33, 2 D-триггера 39 и 40 и 2 пересчетных блока 41 и 42.

Первый и второй входы блока 2 управления соединены с первыми входами первого и второго элементов И 15 и 16 вторые входы которых соединены с выходом первого RS-триггера 10. Выход первого элемента И 15 соединен с одним входом третьего элемента И 17, выход которого через второй формирователь 29 соединен с S-входом третье- го RS-триггера 12, а другой вход через второй RS-триггер 11 и первый формирователь 28 соединен с выходом второго элемента И 16. Второй вход блока 2 управления через первый элемент НЕ 23, четвертьш элемент И 18 и третий формирователь 30 соединен

с R-входом первого D-триггера 39, S-вход которого соединен с клеммой положительного напряжения, О -вход- с инверсным выходом, С-вход - с йыДо начала измерения триггер 10 находится в состоянии логического нуля и входные сигналы , и Т, , поступающие с выходов формирователя 1, на

10

f5

ходом третьего элемента И 17, а пря- 5 работу устройства не влияют. Импульс мой выход через пятый элемент И 19 соединен с входами седьмого элемента И 21 и четвертого формирователя 31, выход которого соединен с R-входом четвертого RS-триггера 13, инверсный выход которого соединен с вторым . входом седьмого элемента И 21 .прямой . .выход - с одним из входов шестого элемента И 20, а S-вход - с S-входом первого RS-триггера 10, R-входом второго RS-триггера 11, выходом третьего формирователя 30, входом одиннадцатого формирователя 38, одним из входов первого элемента ИЛИ 26 и входом второго элемента НЕ 24, Первый вход блока 2 управления соединен с вторьм входом четвертого элемента И 1-8, третий вход которого соединен с прямьм выходом пятого RS-триггера 14, инверсный вход которого соединен с вторым входом пятого элемента И19, R-вход соединен с выходом одиннадцатого формирователя 38, а S-вход через десятый формирователь 37 соединен с входом второго пере--- счетного блока 42, К-вход второго) - триггера 40 соединен с клеммой положительного напряжения, D -вход с общей шиной. В-вход с выходом первого

20

начала измерения формируется с помощью триггера 14, элемента НЕ 23, элемента И 18 и формирователя 30 таким образом, что он по времени совпадает со спадом импульса t, (при отсутствии импульса С, ), Импульс начала измерения устанавливает все триггеры блока 2 управления в начальные состояния.

Так как цифровой эквивалент меры фазового сдвига 360, 180, 90 эл.град, и т.д. формируется в каждом цикле работы устройства от опорного сигнала с , то и работа блока 2 управления синхронизируется также от входного опорного сигнала Т . Для обеспечения правильного функционирования устройства необходимо формировать цифровые эквиваленты двоичных мер фазового сдвига через период сигнала 2 Это осуществляется с помощью триггера 39, работающего в счетном режиме. Триггер 13 предназначен для формирования одного строба (в процессе одного измерения) длительностью Т, на управляющем входе электронного ключа 3, После формирования этого строба могут формироваться только стробы длительностью

25

элемента ИЛИ 26, второй вход которо- 35 2- Cj(2-Z Т) на управляющем входе

го через последовательно соединенные седьмой, шестой и пятый формирователи 34,33 и 32 соединен с выходом четвертого формирователя 31 и первым входом восьмого элемента И 22, второй вход которого соединен с выходом второго D-триггера 40, а выход - с входом второго элемента ИЛИ 27, второй вход которого соединен с выходом седьмого формирователя 34, входом восьмого формирователя 35 и через последова- тельно соединенные первьй пересчетный блок 11 и девятый формирователь.36 с входом третьего элемента НЕ 25, втоэлектронного ключа 4.

По спаду строба 2 л в каждом i-м цикле работы устройства (,2,..,п где п - число разрядов фазометра) с помощью-формирователей 31-35 формируются импульсные управляющие сигна- .пы.

Триггер 40 служит для разрешения 5 или запрещения перезаписи разности, (1юрмируемой в каждом i-м цикле работы устройства в реверсивном счетчике 5 импульсов, в регистр 7 сдвига. Сигнал знака этой разности поступает на

рым входом второго пёресчетного блока 50 вход С-триггера 40. Если импульс 42 и R-входом первого RS-триггера 10, разности не поступает на вход

С-триггера 40 с разряда заема реверг сивного 5 счетчика импульсов, то разность положительна и перезапись ее 55 в регистр 6 сдвига нужна. В этом случае сигнал перезаписи через эле- мент ИЛИ 27 поступит в регистр 7

К-вход третьего RS-триггера 12 соединен с выходом пятого формирователя 32.

Блок управления обеспечивает синхронную работу всех функциональных; элементов устройства и работает следующим образом.

сдвига. Если разность отрицательна, то импульс заема с реверсивного счетДо начала измерения триггер 10 находится в состоянии логического нуля и входные сигналы , и Т, , поступающие с выходов формирователя 1, на

работу устройства не влияют. Импульс

начала измерения формируется с помощью триггера 14, элемента НЕ 23, элемента И 18 и формирователя 30 таким образом, что он по времени совпадает со спадом импульса t, (при отсутствии импульса С, ), Импульс начала измерения устанавливает все триггеры блока 2 управления в начальные состояния.

Так как цифровой эквивалент меры фазового сдвига 360, 180, 90 эл.град, и т.д. формируется в каждом цикле работы устройства от опорного сигнала с , то и работа блока 2 управления синхронизируется также от входного опорного сигнала Т . Для обеспечения правильного функционирования устройства необходимо формировать цифровые эквиваленты двоичных мер фазового сдвига через период сигнала 2 Это осуществляется с помощью триггера 39, работающего в счетном режиме. Триггер 13 предназначен для формирования одного строба (в процессе одного измерения) длительностью Т, на управляющем входе электронного ключа 3, После формирования этого строба могут формироваться только стробы длительностью

электронного ключа 4.

По спаду строба 2 л в каждом i-м цикле работы устройства (,2,..,п где п - число разрядов фазометра) с помощью-формирователей 31-35 формируются импульсные управляющие сигна- .пы.

сдвига. Если разность отрицательна, то импульс заема с реверсивного счетчика 5 импульсов поступит на вход С-триггера АО и сигнал перезаписи разности в регистр 7 сдвига не пройдет через элемент 22 И, а в регистре 7 сдвига останется предьщущее значение кода.

Пересчетный блок 41 служит для определения нужного числа циклов п работы устройства. После подсчета п импульсов пересчетный блок At формирует сигнал конца измерения, с помощью которого результат измерения, находящийся в регистре 6 сдвига, поступит на блок 8 регистрации.

Пересчетный блок А2 служит для задания необходимого времени на отображение результата измерения в блоке 8 регистрации. Это время задается путем подсчета определенного числа импульсов генератора 9 импульсов. По окончании времени регистрации пересчетный блок А2 устанавливает триггер 1А в состояние логической единиквантования л, и

. Первая разность 2(N,+u1)-(N,,± д, ) сх:.а,+2й, (при вычислении которой производится сравнение удвоенного значения кода 5 фазового интервала Nj с числовым эквивалентом N« меры фазового сдвига 180 эл.град.) определяется с погрешностью Ь, ±2Л,±Л. С учетом веса кода N,(в град.) в первом цикле эта погрешность равна

Ш

15

о Ь, 180 Ь, 360

2N2

Вторая разность с учетом погрешности первой разности

2()-( + ) ±Aj

20

(при вычислении второй производится сравнение удвоенного кода 2N, фазового интервала или его остатка а от предьщущего сравнения с числовым экф рмируется импульс н ачала измерения; 25 вивалентом N, меры фазового сдв,ига и устройство производит очередное эл.град.) определяется с погрешностью , ±й ЗА . с учетом веса кода N (в эл.град.) во втоцы и в момент спада импульса г вновь

рой разности эта погрешность равна

о Ь,90 «г- .

22 N,

Определим максимальную абсолютную погрешность предлагаемого устройизмерение. Пересчетный блок А2 уста- навливает триггер 1А в состояние логической единицы сразу после подачи напряжения питания на фазометр. 30

Пересчетные блоки А1 и А2 реали- зованы с помощью счетчиков импульсов и дешифраторов. Формирователь 1 йо- жет быть реализован с помощью усили- Аналогично i-я разность с учетом по- телей-ограничителей и фазового детек- 35 грешности (1-1)-й разности 2(а, ± тора.+Ь., )-() ±2Ь{., ± Л (при

вычислении которой производится сравнение удвоенного значения кода фазово ства Эта погрешность определяется погрешностью квантования фазового 40 интервала С, д,. в результате квантования которого формируется двоичный код N,, погрешностью квантования временного интервала 2- о2-л, в результате квантования которого форми- 45 руется двоичный код Nj, а также реализованным в Устройстве способом обработки двоичных кодов N1 и N для получения кода измеренного фазового 1сдвига N.

Погрешности квантования А, и д являются случайными величинами, которые могут принимать значения: ,б Ij , т.е. эти погрешности не превышают единицы младшего разряда двоичных кодов N, и N . Определим погрешность и обработки кодов N и N2 с учетом погрешностей их

го интервала 2 N, или его остатков от предьщущего сравнения а|, с числовым эквивалентом N меры фазового сдвига 360°/2 ) определяется с пог- решностьюЬ.+2Ь;, ±t.+2 -h + ( С учетом веса кода N (в эл.град.) в 1-м цикле эта погрешность равна

К Ь,-. 360° „

о; г-г Последняя п-я разность

с учетом погрешности (п-1)гй разнос- 50 ти

2(а„., ±Ь„., )-(Ы,-д,) о(а„ ±Ь„., +&,

(при вычислении которой производится « сравнение удвоенного значения кода фазового интервала -N, или его остатка от предыдущего сравнения а с числовым эквивалентом меры фазового сдвига 360 /2 ) определяется с по87037

квантования л, и

8.

. Первая разность 2(N,+u1)-(N,,± д, ) сх:.а,+2й, (при вычислении которой производится сравнение удвоенного значения кода 5 фазового интервала Nj с числовым эквивалентом N« меры фазового сдвига 180 эл.град.) определяется с погрешностью Ь, ±2Л,±Л. С учетом веса кода N,(в град.) в первом цикле эта погрешность равна

Ш

о Ь, 180 Ь, 360

2N2

Вторая разность с учетом погрешности первой разности

2()-( + ) ±Aj

20

рой разности эта погрешность равна

о Ь,90 «г- .

22 N,

огично i-я разность с уч ности (1-1)-й разности 2 , )-() ±2Ь{., ±

вычислении которой производится сравнение удвоенного значения кода фазово

го интервала 2 N, или его остатков от предьщущего сравнения а|, с числовым эквивалентом N меры фазового сдвига 360°/2 ) определяется с пог- решностьюЬ.+2Ь;, ±t.+2 -h + ( С учетом веса кода N (в эл.град.) в 1-м цикле эта погрешность равна

К Ь,-. 360° „

о; г-г Последняя п-я разность

вычислении которой производится сравнение удвоенного значения кода фазово 40 45

с учетом погрешности (п-1)гй разнос- 50 ти

2(а„., ±Ь„., )-(Ы,-д,) о(а„ ±Ь„., +&,

(при вычислении которой производится сравнение удвоенного значения кода фазового интервала -N, или его остатка от предыдущего сравнения а с числовым эквивалентом меры фазового сдвига 360 /2 ) определяется с погрешностью ,±й +2 л,+ ( Погретность Ь с учетом веса кода N( 8 эл, град.) в п-й разности равна

8 2. N

Погрешность Ор и есть погрешность обработки двоичных кодов N, и N с учетом их погрешностей квантования, т.е. БП U . Выразим погрешность d через погрешности квантования кодов N, и No

Л 1:360° 360° Л, )-360%15

N - N 2.N

В самом неблагоприятном случае, когда погрешность Д, ид имеют разные знаки и максимальны по абсолютному значению (/u,.j/ 1), погрешностьД будет максимальной

Ш

20

...i36o (A:

и 2 И , П

2 -1/2 i

() .

2 N,

Величина 2 -1/2-1. Тогда с достаточной для практического использования точностью можно записать

Л.

6 2-360 /N, ч в

(3)

moix I

Величина 360 /N2 л, является абсолютной погрешностью квантования временных интервалов (выраженной в эл.град Максимальная абсолютная погрешность фазометра не превьш1ает удвоенной абсолютной погрешности квантования временных интервалов, т.е. точность прибора полностью определяется только погрешностью квантования времен

ных интервалов Т, и t .

Таким образом, устройство обеспечивает более высокую точность измерения за счет устранения потери точ- юсти представления числовых эквива

лентов мер фазового сднига и имеет меньший об75ем аппаратуры. Формула изобретения Цифровой фазометр, содержащий блок

регистрации, генератор импульсов, два регистра сдвига, два электронных ключа, блок управления и формирователь, первый и второй входы которого соединены соответственно с первой

и второй входнь1ми шинами фазометра, а первый и второй выходы формирователя соединены соответственно с первым и вторым входами блока управления, первый и второй выходы которого соединены с первыми входами соответственно первого и второго злектрон- ных ключей, вторые входы которых соединены с входом генератора импульсов, а группа выходов первого регистра сдвига соединена с группой входов блока регистрации, отличающийся тем, что, с целью увеличения точности измерений, в него введен реверсивный счетчик импульсов,

группа выходов которого соединена с группой входов второго регистра сдвига, управляющие входы которого соединены с третьим и четвертым выходами блока управления, а группа выходов - с группой информационных входов реверсивного счетчика, вход сложения которого соединен с выходом первого электронного ключа, вход вычитания - с выходом второго электронного ключа, а управляющие входы - с пятым и шестым выходами блока управления, третий вход которого соединен

с выходом генератора импульсов, а четвертьй - с выходом реверсивного 40 счетчикаi -при этом седьмой и восьмой выходы блока управления соединены с входами первого регистра сдвига, а девятый выход - с входом блока регистрации.

а -

cpuz,2

Изобретение относится к области измерительной.техники. Цель изобретения - увеличение точности измерения Фазового сдвига входных сигналов. Цифровой фазометр состоит из формирователя 1, блока 2 управления, электронных ключей 3 и 4,,регистров 6 и 7 сдвига, блока 8 регистрации и генератора 9 импульсов. Введение реверсивного счетчика 5 импульсов и образова ние новых функциональных связей делает максимальную абсолютную погреш-v ность фазометра, не превышающей удвоенной абсолютной погрешности квантования временных интервалов. Таким образом, высокая точность измерения обеспеч}геается за счет устранения потери точности представления числовых эквивалентов мер фазового сдвига. 2 ил. с to 00 с