Устройство для отображения векторных диаграмм на экране электронно-лучевой трубки Советский патент 1987 года по МПК G09G1/08 

Изобретение относится к средствам обучения и пособиям для учебных целе и предназначено для отображения векторной топографической диаграммы напряжений и/или векторной диаграммы токов.

Цель изобретения - повышение точности устройства и расширение класса решаемых задач путем отображения векторных диаграмм токов для иллюстрации первого закона Кирхгофа.

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства; на фиг.2 - отображение вектора напряжения на комплексной плоскости.

Устройство содержит второй коммутатор 1, преобразователь 2 ток - напряжение, дифференцирующий усилитель 3, первый амплитудный детектор 4, певый измеритель 5 сдвига фаз, индикатор 6, блок 7 оперативной памяти, второй измеритель 8 сдвига фаз, второй амплитудный детектор 9, аналогб- цифровой преобразователь 10, регист- ры 11-1 А, блок 15 управления, первый 16 и второй 17 цифроаналоговые преобразователи (ЦАП), первый 18 и второй

19 умножители, первый 22 и второй 23 синусно-косинусные преобразователи, третий 24 и четвертый 25 умножители, первый блок 26 сравнения, первый коммутатор 27, генератор 28 тактовых импульсов, первый счетчик 29, ЦАЛ 30, первый триггер 31, второй счетчик 32 элемент ИЛИ-НЕ 33, второй блок 34 сравнения, элемент ИЛИ 35, адресный вход 36, элемент И 37, управляющий вход 38, а также второй 39 и третий 40 триггеры. Блок 15 управления содержит преобразователь 41 кодов и регистр 42.

Кроме того,устройство имеет первый 43, второй 44 и третий 45 информационные входы и выходы 46 и 47.

Устройство осуществляет измерение угла сдвига фаз между синусоидальными напряжениями д„ (t)Vf sinwt и Up,r -t) si( t+oi jj ) или между на пряжением U,,,, (t) и током

lij(t)

1,- sin(ujt+ ) измерение амплитудных значений напряжений и токов, отображение на экране ЭЛТ анализируемых фрагментов векторной топографической диаграммы напряжений и/или векторной диаграммы токов.

Устройство работает следующим образом.

При пос-гроении векторных топографических диаграмм напряжений в исследуемой линейной схеме выбирается базовый узел О, потенциал которого принимается за ноль. С этим узлом соединяется общая шина 47 устройства. Измерение потенциалов остальных узлов производится относительно базового. Отсчет фазовых сдвигов осуществляется относительно фазы потенциала произвольно выбираемого узла « , т.е.

fo ae °. Напряжение ) fg. i/n a о sinwt называется

5

0

. (Ц

0

5

0

опорным. -

Сигнальное напряжение U..(t) (u)t + oi)

nifl

снимается

n m между некоторыми узлами n и ш.

Положение символа Vp на комплексной плоскости однозначно определяется четырьмя координатами (фиг.2). Возможно задание координат в прямоугольной и полярной системах. В данном случае рациональным следует считать следующий набор координат: (V ,) ;

,JCrr.) Первая пара координат является выходными данными вольтметра и фазометра, получение второй пары аналогично первой.

На векрторной диаграмме токов символы всегда выходят из начала координат . Поэтому для отображения символа тока if,ni достаточно двух координат -лт nm которые измеряются следующим образом. При измерении координат символов напряжений коммутатор 1 подключает неинвертирующий и инвертирующий входы дифференциального усилителя 3 к входам 43 и 44 устройства, а входы и выход преобразователя 2 ток - напряжение отключается.

5

0

5

Входы 43 и 44 устройства соединяют с некоторыми узлами п и га анализируемой схемы. На выходе дифференциального усилителя 3 формируется напряжение U (t) 1/„- t/ V х . X sin (wt-i- V) . Выделение величин Vp и 7 осуществляется амплитудными детекторами 4 и 9 соответственно. С помощью аналого-цифрового преобразователя 10 величины V и (преобразуются в коды. Измеритель 5 фазового сдвига фиксирует фазовый сдвиг о между сигнальным U(t) и опорным Ug, (t) напряжением, а измеритель 8 фазового сдвига - фазовый сдвиг d гп между потенциалом t/ и опорным напряжением Uap(t). Коды величин V и индицируются индикатором 6.

31

При измерении координат символов токов коммутатор 1 подключает входы преобразователя 2 ток - напряжение к входам 43 и 4А устройства, инвертирующий вход дифференциального усилителя 3 - к общей шине 47 устройства, а вход преобразователя 2 к неинвертирующему входу усилителя 3,

Для измерения амплитуды и фазы тока соответствующая ветвь анализируемой схемы разрывается, а входы устройства включаются в разрыв.

Напряжение на выходе амплитудного детектора 4 пропорционально амплитуде тока 1, напряжение на выходе детектора 9 равно нулю, а измеритель 5 фазового сдвига фиксирует величину фазового сдвига d между током i(t в ветви пт и опорным напряжением Up, (t) . Величина фазового сдвига на выходе измерителя 8 не определена, так как сигнальный вход измерителя соединен с общей щиной. Однако значение этого фазового сдвига в данном случае несущественно, поскольку диаграммы токов не могут быть топографическими (начало вектора тока всегда находится в начале координат символов или токов),

Координаты отображаемых символов записываются в блок 7 оперативной памяти. Затем осуществляется цикли-, ческое считывание содержимого оперативной памяти. После считывания по адресу i очередной четверки координат символа напряжения V , гг V . символа тока о,х., 5Ф°Р РУ Т соответствующая система развертывающих напряжений и j( и Uy. Согласно методу функциональ ных напряжений для создания на экране ЭЛТ с электростатическим управлением изображения символа с координатами (f, d , , на отклоняющие пластины ЭЛТ необходимо подать систему сигналов

х Ц п, ep(t) cosd

Uv m sino{ + ep(t) sinoi j,

где е (t) - напряжение развертки, имеющее амплитуду V. Координаты L(,oL, V , oinm считываются из блока 7 оперативной памяти в регистры 11 - 14. Преобразование цифровой формы представления if и V в аналоговую реализуется с помощью ЦАП 16 и 17. Тригонометрические функции

3

) to

160274

углов d „ и воспроизродятся си- нусно-косинусными преобразователями 22 и 23. Вычисление первых слагаемых d и 1/ sin о системы развер5 тывающих напряжений U, и Uy осуществляются с помощью умножителей 18 и 19 соответственно. Основной для получения напряжения развертки Op(t) служит пилообразное напряжение Cp(t), аппроксимируемое ступенчатым сигналом ), вырабатываемым генератором 28, счетчиком 29 и ЦДЛ 30. Содержимое счетчика 29 в интервале развертки ступенчато изменяется от О

до 2п (п - число разрядов) за счет поступления на вход импульсов с выхода генератора 28. ЦАП 30 преобразует содержимое счетчика 29 в напряжение е., (t) . Сигнал е... (t) являет9Л

- ся, таким образом, ступенчатым. При п 7,8 дискретность изображения векторов, вызванная ступенчатым характером изменения развертывающего напряжения, зрительно не воспринимается .

Сигнал e(t) блоком 26 сравнения сравнивается с напряжением U,,. Выходной сигнал блока 26 сравнения является управляющим для коммутатора

27, напряжение на выходе которого определяется выражением

Ге,. (t) при V 7/ е. (t), ep(t)(2)

io при V, е, (t).

35 Напряжение ep(t) подается на аналоговые входы умножителей 24 и 25, на цифровые входы которых поступают коды тригонометрических функций cos o rim и sinoi. Таким образом, на выходах суммирующих усилителей 20 и 21 формируется система развертывающих напряжений U и U( , создающая изображение символа V. Амплитуда Е ступенчатого напряжения (t) определяется выражением

Е Ер 2 г ЕОПри правильном выборе предела из25

40

45

50

55

мерений должно выполняться условие Vj Е. Следовательно, в интервале развертки всегда выполняется второе соотношение системы (2). С момента превьшения сигналом e(t) амплитуды V и до конца интервала развертки напряжения U и Uy сохраняют постоянные значения

и, 1/ cos d ;

Uv, t . sinoim.

Таким образом, начальная точка

вектора V отмечается на экране ярко светящейся точкой.

Процесс считывания координат из блока 7 оперативной памяти и формирование соответствуюшей системы раз- вер тываюпщх напряжений U, и U циклически повторяются для всех i , N-1J, где N - общее число ячеек оперативной памяти.

Рассмотрим более подробно адресацию оперативной памяти и выработку управляющих сигналов при записи и чтении координат символов. Полный цикл работы устройства состоит из N интервалов, каждый из которых вклю- -; urr интервал обращения к блоку оперативной памяти и интервал развертки.

Номер интервала равен адресу ячейки, к которой происходит обращение. В каждом интервале обращения к опера- тилной памяти происходит считывание координат символа в регистры 11-14. р(; ализация счигьшапия требует форми- рои:и;ня управляющих сигналов. Сигнал Чт/злп (чтения/записи) задает режим работы оперативной памяти. Сигнал ВК (выбора кристалла) осуществляет стробиров.1ние памяти (информация ид выходе памяти присутствует в течение TJb coiwro уровня ВК) . По переднему фронту сигнала стр.КС происходит занесение координат в регистры

11-14.

I

При записи координат символа в память (символу) присваивается некоторый HONrep j. При этом в j-ом интервале обращения к памяти операции считывания предшествует операция записи. Для обеспечения контроля записи координат символов в память нулевая ячейка выделена для вектора-метки. Вектор-метка - это вектор напряжения или тока, подава емого на сигнальные входы устройства. В нулевом интервале обращения к памяти в каждом цикле происходят запись и чтение координат. Таким образом, координаты вектора-метки транслируются через блок 7 оперативной памяти в регистры 11-14 в каждом цикле работы устройства. Вектор-метка всегда отображается на экране ЭЛТ. Подключая входы устройства к узлам исследуемой схемы экспериментатор может последовательно во времени просмотреть интересую- птую его векторную диаграмму.

5

Дня одновременного отображения на экране ЭЛТ нескольких векторов их координаты предварительно должны быть записаны в оперативную память. Заносимую в память вектору с помощью переключателя адреса (не показан) к входу 36 присвоится номер К от 1 до N-1. Номер К вектора равен адресу ячейки памяти, в которую производится запись координат. Входы устройства подключаются к узлам исследуемой схемы, в результате чего на экране ЭЛТ появляется изображение соответствующего вектора-метки (не показан).

- После нажатия переключателя записи сигнал подается к входу 38 и координаты данного вектора заносятся в ячейку К , адрес которой равен присвоенному вектору номеру. После за писи в память яркость изображения вектора увеличивается, так как он отображается в полном цикле работы дважды: в виде вектора-метки, поскольку сигнальные выводы еще подключены к узлам схемы, и в виде отображаемого вектора, координаты которого находятся в К-й ячейке. Увеличение яркости изображения записываемого вектора служит экспериментатору под 1 верждением правильной записи. Затем входы устройства подключаются к другой паре узлов схемы. На экране появляется изображение соответствуто- щего вектора-метки. Если эксперимен5 татор принимает рещепие о записи его координаты в память, он присваивает вектору с помощью переключателя номер и нажимает переключатель записи. В результате последовательного просмотра векторов и записи координат интересующих векторов в память на экране формируется изображение векторной диаграммы.

Формирование управляющих сигна лов, обеспечивающих описанный процесс, происходит следующим образом. Интервал обращения к оперативной памяти инициируется отрицательным фронтом сигнала старшего разряда

счетчика 29. Отрицательньш фронт появляется в момент переполнения счетчика 29, т.е. в момент завершения интервала развертки.

По данному фронту содержимое счетчика адреса 32 увеличивается на единицу, а триггер 31 устанавливается в единичное состояние. Высокий уровень сигнала на прямом выходе триг0

0

ера 31 принудительно удерживает четчик 29 в нулевом состоянии, блокируя тем самым выработку разверть;- ающего напряжения е (t). Низкий уровень сигнала на инверсном выходе триггера 31 разрешает блоку 15 управления выработку управляющих сигналов .

Входной сигнал блока управления определяется выражением

А Z - Q , где Z - логический признак нулевого

содержимого счетчика 32; Q - логический признак равенства содержимого счетчика 32 и кода,заданного переключателем адреса;

зап - логический признак замкнутого контакта переключателя записи.

Значение переменной Л определяет две возможные последовательности вырабатываемых управляющих сигналов. При формируется совокупность сигналов, реализующих чтение координат вектора из памяти в регистры и переход к интервалу развертки. Переход к интервалу развертки осуществляется обнулением триггера 31 сигналом R. еревод триггера 31 в нулевое состояние блокирует работу блока управления и разрешает формирование развертывающего напряжения e(t).

При описанной последовательности сигналов предшествует последовательность, обеспечивающая запись координат в оперативную память.

Блок 15 управления представляет собой синхронный последовательньш автомат, реализованный на преобразователе А1 кодов и регистре 42. Смена состояний блока 15 управления синхронизируется отрицательными фронтами импульсов с генератора 28.

Число состояний блока 15 управления (как конечного последовательного автомата) определяется по последовательности управляющих сигналов.

Обращение к памяти по записи безусловно происходит по нулевому адресу, что обеспечивает запись в нулевую ячейку координат вектора-метки, и/или при условии нажатой кнопки Запись по адресу, заданному переключателем. Логический признак 2 формируется элементом ИЛИ-НЕ 3.3, блоки 34 сравнения вырабатьшают признак равенства Q содержимого счетчика 32

0

0

и кода на выходе переключатели адреса (вход 36). Признак Зап выраба- тьшается на входе 38. На триггерах 39 и 40 (D-триггерах) реализован ждуЩП1 синхронньй мультивибратор. В качестве тактового сигнала, определяю- шег о длительность формируемого мультивибратором импульса, используется сигнал старшего разряда счетчика 32. В установившемся режиме, как при нулевом, так и при единичном уровнях сигнала на С-входе триггера 39, оба триггера находятся в нулевом состоянии, т.е. Зап 0. Это состояние устойчиво. При нажатии переключателя (вход 38) на С-.-хо;:е D-трчггсрп 39 1оявляется перепал О. По- с;-:ольку ii;i D-BXO;J сигнал логической 1, триггер 39 устанпвливает-- ся в единичное состоя П е, запоьшная тем факт НР.;ГПТИЯ переключателя. При появлении на С-входе D-триггера ДО активного перепадп 1 - О в результате нажатпя переключате.-тя грнгг ер перехоан г в о.циипчное состояние (Зап 1) и, как следствие этого, обнуляет триггер 39.

Таким образом, к мо -енту следующего aKTH}JHoro перепацл - О на тактовом входе тригтора 40 па де триггера устапав.шгвается сигнал лопгческого О, в результате чего триггер возвращается в исходное нулевое состояние. Следовательно, ждущий

-5 срп1хрпнпый мультивибратор на триггерах 39 и 40 по нажатию переключателя записи (вход 38) вырабатывает одиночный импульс Зап длительностью, равной периоду тактового сигнала на С-входе триггера 40, т.е. длительности полного цикла работы устройства. На положительный перепад на С- входе триггера 39 мультивибратор не реагирует, так как этот перепад не

5

0

5

0

5

является активным для триггера 39.

Элемент И 37 вырабатьшает сигнал Q , а элемент 35 логически суммирует сигнал Z и Q. Зап, так как признак Q периодически принимает единичное значение в каждом цикле в пределах интервала, номер которого совпадает с выходным кодом переключателя адреса (вход 36), а признак 1 в течение одного полного цикла работы устройства после нажатия переключателя записи, то слагаемоеQ однократно принимает единичное значение в ближайшем после нажатия переключателя интервале, номер которого равен установленноьгу переключателем адресу вектора. Описанной синхронизацией обеспечивается однократная запись координат по выбранному адресу оперативной памяти.

Таким образом, предлагаемое устройство измеряет угол сдвига фаз между синусоидальными напряжениями, угол сдвига фаз между током и напряжением, амплитудные значения напряжений и токов, а также отображает на экране ЭЛТ векторную топографическую диаграмму напряжений и/или диаграмму токов, состоящих из N векторов, и позволяет формировать на экране ЭЛТ изображение совокупности символов напряжений и токов, что обеспечивает наглядную иллюстрацию выполнений обоих знаков Кирхгофа. Создание на экране ЭЛТ нескольких векторов, выбираемых исследователем по собственному усмотрению, полностью исклк)- чает графические работы по формированию диаграмм, позволяет выделить и наглядно представить амплитудно- фазовые соотношения между напряжениями и токами в анализируемом фрагменте схемы.

Формула изобретения

1. Устройство для отображения век торных диаграмм на экране электрон но-лучевой трубки, содержащее два ам плитудных детектора, дифференцирующий усилитель, выход которого соединен с входом первого амплитудного де тектора и первым входом первого измерителя сдвига фаз, второй вход которого и первый вход второго измерителя сдвига фаз являются первым информационным входом устройства, выходы амплитудных детекторов соединены с входами аналого-цифрового преоб раэователя , два синусно-косинусных преобразователя, выходы первого соединены с первыми входами первого и второго умножителей, а выходы второго - с первыми входами третьего и четвертого умножителей, вторые входы которых подключены к выходу перво го коммутатора, управляющий вход которого соединен с выходом первого блока сравнения, два суммирующих уси

ЛИТеЛЯ,.выходы которых являются COOT

ветственно выходами напряжений от- , клонения Jiy4a по координатам X и У

25

устройства, и второй коммутатор, выход первого измерителя сдвига фаз и первый выход аналого-цифрового преобразователя соединены с индикатором, 5 отличающееся тем, что, с целью повыщения точности устройства и расширения класса решаемых задач путем отображения векторных диаграмм токов для иллюстраций первого закона

Кирхгофа, оно содержит преобразователь ток - напряжение, входы которого соединены с первым и вторым входами второго коммутатора, информационные входы которого являются вторым и

(5 третьим входами устройства, а вькод- с управляющим входом второго коммутатора, третий выход которого соединен с первым входом дифференцирующего усилителя, а четвертый выход - с

вторым входом дифференцирующего усилителя, входом второго амплитудного детектора и вторым входом второго измерителя сдвига фаз, блок оперативной памяти, информационные входы которого соединены с выходами измерителей сдвига фаз и аналого-цифрового преобразователя, четыре регистра, информационные входы которых соединены с выходом блока оперативной памяти, три цифроаналоговых преобразователя, аналоговые входы которых соединены с шиной опорного напряжения, а цифровые входы первого и второго цифроаналоговых преобразователей сое- 35 динены с выходами первого и второго регистров, а выходы второго и четвертого регистров подключены к входам первого и второго синусно-косинусных преобразователей, выход первого цифроаналогового преобразователя соединен с вторыми входами первого и второго умножителей, выходы которых подключены к первьм входам первого и второго суммирующих усилителей, вторые входы которых соединены с выходами соответственно третьего и четвертого умножителей, вторые входы которых соединены с выходом второго коммутатора, выход второго цифроаналогового преобразователя соединен с первым входом первого блока сравнения, генератор тактовых импульсов, два счетчика, второй блок сравнения, блок управления, второй и третий триггеры, элементы ИЛИ-НЕ, И и ИЛИ, выход элемента ИЛИ соединен с управляющим входом блока управления, первый выход которого соединен

30

40

45

50

55

1 113

с входом сброса первого триггера, тактовый вход которого соединен с выходом первого счетчика, подключенным к счетному входу второго счетчика и цифровым входом третьего цифро- аналогового преобразователя, выход которого соединен с вторым входом первого блока сравнения и информацио- ным входом первого коммутатора, выход второго счетчика соединен с адресным входом блока оперативной памяти, входами элемента РШИ-НЕ, первым входом второго блока сравнения и тактовым входом третьего триггера, установочный вход которого соединен с выходом второго триггера, а выход с первым входом элемента И и входом сброса второго триггера, тактовый вход которого является управляющим входом устройства, второй вход элемента И соединен с выходом второго блока сравнения, второй вход которого является адресным входом устройства, выход элемента И соединен с пер- вьм входом элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом элемента ИЛИ-НЕ, второй выход блока управления

2712

соединен с управляющими входами регистров, а третий и четвертый выходы с первым и вторым управляющими входами блока оперативной памяти, вход

сброса блока управления подключен к первому выходу первого триггера, второй выход которого подключен к входу сброса первого счетчика, тактовый вход блока управления соединен с выходом генератора тактовых импульсов, подключенным к счетному входу первого счетчика.

2. Устройство по п.I, о т л и - чающееся тем, что блок управления содержит преобразователь кодов, управляющий вход которого является управляющим входом блока, а информационный вход соединен с выходом регистра, информационный вход которого соединен с первым выходом преобразователя кодов, второй, третий, четвертый и пятый выходы которого являются соответственно первым, вторым, третьим и четвертым выходами блока, тактовый вход и вход сброса регистра являются соответственно тактовым входом и входом сброса блока.

Изобретение относится к средствам обучения и наглядным пособиям для учебных целей и предназначено для отображения векторной топографической диаграммы напряжений и/или векторной диаграммы токов. Цель изобретения - повышение точности устройства и расширение класса решаемых задач путем отображения векторных диаграмм токов для иллюстраций первого закона Кирхгофа. Цель достигается отображением на экране ЭЛТ нескольких векторов, выбираемых исследователем по собственному усмотрению, что полностью исключает графические работы по формированию диаграмм, позволяет выделить и наглядно представить амплитудно-фазовые соотношения между напряжениями и токами в анализируемом фрагменте схемы. 1 з.п. ф-лы, 2 ил. (О (Л со О5 о to

/ГАГГ

3mf

frn .сСпт

О

dim

Редактор О.Головач

Составитель И.Загинайко

Техред М.Ходанич. Корректор Л.Пилипенко

Заказ 2367/53 Тираж 433Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.А/5

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

(риг.г