Коммутационный преобразователь фаза-код Советский патент 1987 года по МПК G01R25/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в информационно-измерительных н унравляю- щих системах для измерения фазовых сдвигов электрических сигналов.

Цель изобретения - расширение функпиональных возможностей за счет обеспечения измерения мгновенного значения фазы сложных сигналов, повын ение достоверности и уменьшение собственной методической погрешности.

На фиг. 1 изображена функциональная схема преобразователя; на фиг. 2 и 3 -- временные диаграммы работы функциональных узлов.

Преобразователь содержит электронные ключи 1 и 2, информационный вход первого соединен с входной шиной Ugn , а информационный вход второго - с входной шиной LUV. преобразователя, выходы обоих ключей соединены с входом формирователя 3, выход которого соединен с информационным входо.м непосредственно и с управляющим входом электронного ключа 4 через последовательно соединенные одновибрато- ры 5 и 6, выход ключа 4 соединен с входами опорного канала 7 и измерительного канала 8 в ячейке ИЛИ 9, выходы обоих каналов соединены с входами элемента И - НЕ 10, выходом соединенного с входом триггера И управления, прямым выходом соединенного с унравлящим входом ключа 2, входом измерительного канала 8 и входом эле.мента И 12, а инверсным выходом - непосредственно с управляющим входом ключа 1 и входом опорного канала 7, а через одновибратор 13 - с другим входом опорного канала 7. выход опорного канала 7 через инвертор 14 соединен с входом триггера 15 из.мерения периода, прямой выход которого через последовательпо соедипен- ные элементы И 12 и 16 соединен с входом счетчика 17, а через элемент И 18 - с входом счетчика 19, выход генератора 20 квантуюниих импульсов соединен с входами элементов И 6 и 18.

Устройство работает следующим образом .

Входные напряжения Uon , LUIH, фазовый сдвиг ip между которыми измеряется, подаются на электронные ключи 1 и 2, ко- торые вместе с электронным ключом 4 могут быть зьшо.тнены на интегральных коммутаторах, ключах, управляемых непосредственно от интегральных схем.

В исходном состоянии 15 измерения (ериода и триггер 11 управления находятся в положении «О, т.е. па прямом выходе - пизкий потенциал, на инверсном выходе - высокий потенциал, на основном выходе одновибратора 6 - низкий потенциал, на инверсном выходе одиовибратора 13 - высокий потенциал. )даря исходным сигналам с устройств 6, 13 и 11 ключ 1 замкнут, ключи 2 и 4 разомкнуты, на управляющих входах ячейки ИЛИ 9 следующие сигналы: разрешение в онорном

канале 7, запрет в измерительном канале 8. Сложный опорнь й сигнал Uon через ключ 1 поступает на вход формирователя 3, который представляет собой нуль-орган, формирующий импульсы по моментам перехо„ дов через нуль входного сигнала. Сформированные имнульсы поступают на два последовательно соединенных одновибратора 5 и 6, выполняющих функцию первоначальной синхронизации и выполненных на интегральных одновибраторах с повторным

5 запуском. По первому отрицательному фронту входного импульса с выхода формирователя 3 после момента подключения на выходе одновибратора 5 формируется импульс с переменной длительностью, зависящей от количества периодов высокочастотных ко- леба)шй в пачке входного сигнала с момента подключения, за счет повторного запуска этого одновибратора с собственной регулируемой длительностью задержки этими высокочастотными ИЕу1пульсами. Длитель5 пость задержки t, выбирается элементами 21 и 22 из условия

9 т Тмин ву -J -,

0

гдeTвv -максимальный период высокочастотных колебаний в сложном входном сигнале; Тнич -минимальный период огибающей

входного сигнала.

По отрицательному фронту выходного импульса с одповибратора 5 запускается

;- одновибратор 6, на выходе которого формируется имнульс с переменной длительностью, зависящей от количества периодов огибаю- 1цей сложного входного сигнала с момента подключения до окончания измерения, за счет повторного запуска этого одновибра0 тора с собственной регулируемой длительностью задержки входными импульсами, сформированными одповибратором 5. Длительность задержки t, выбирается элементами 23 и 24 из условия

5 tt.TMai,

где Тчакс. - максимальный период огибающей в.ходного сигнала.

Сформированный импульс с выхода одновибратора 6 включает электронный ключ 4. Таким образом, ключ 4 включается благо0 даря свойству одновибратора 5 только при равенстве 1улю огибаюп ей сложного входного сигнала, обеспечивая тем самым про- хождепие сигналов па ячейку ИЛИ 9, собранную на трех элементах И-НЕ, начиная с первого импульса из серии, что соответствует началу измерения по первому фактическому перехо.ду через нуль входного опорного сигнала с положительной про5

изводной. Далее ключ 4 держится замкнутым благодаря свойству одновибратора 6 до окончания измерения, т.е. до исчезновения импульсов на выходе формирователя 3.

Временные диаграммы работы функцио- нальны.х узлов, обеспечивающих, первоначальную синхронизацию (фиг. 1) представлены на фиг. 2, где 1:,,ti - соответственно момент подключения сигналов к устройству и момент начала измерения; t, - соответственно длительности задержки одно- вибраторов 5 и 6; Us.Uj, Ug - соответственно сигналы на выходах формирователя 3 и одновибраторов 5 и 6.

Первый импульс из серии опорного сигнала проходит через электронный ключ 4, опорный канал 7, инвертор 14 на триггер 15 измерения периода, а также через элемент И-НЕ 10 на триггер 11 управления. Триггеры Пи 15, выполненные на интегральных схемах, изменяют свое состояние на «1, чем начинается формирование интервалов времени, соответствующих периоду входных сигналов и фазовому сдвигу на входах элементов И 12 и 18. Изменени е состояния триггера 11 управления означает переключение управляющих сигналов: происходит замыкание ключа 2, размыкание ключа I, подается разрещение на измерительный канал 8, запрет на опорный канал 7, отрицательным фронтом управляющего сигнала с инвертирующего выхода запускается одновибратор 13, выполненный на интегральной схеме одновибратора, обеспечивающий обработку сложного сигнала в опорном канале 7, куда подается дополнительный запрет.

Сложный измеряемый сигнал проходит через ключ 2, формирователь 3, ключ 4 и первый импульс из серии проходит через измерительный канал 8, элемент И-НЕ 10 на вход триггера И управления. Триггер 11 управления изменяет свое состояние на «О, чем заканчивается формирование интервала времени, соответствующего фазовому сдвигу на входе элемента И 12. Изменение состояния триггера 11 означает переключение управляющих сигналов: происходит замыкание ключа 1, размыкание ключа 2, подается запрет на измерительный канал 8, разрещение на опорный канал 7.

Несмотря на замкнутые ключи 1 и 4 и поданное разрешение на опорный канал 7 импульсы опорного сигнала из предыдущей серии не поступают на вход ячейки ИЛИ 9, так как одновибратор 13 блокирует опорный .канал 7 за счет дополнительного запрета на время собственной регулируемой задержки. Длительность задержки выбирается элементами 25 и 26 из условия

f -

2

где Ткакс- максимальный период входног 1

сигнала.

Выбранная задержка обеспечивает обработку сигнала в октавном диапазоне частот.

Таким образом, за счет двойного управления опорным каналом 7 суммарный си.гнал разрешения на опорный канал вырабаты.- вается,только при равенстве нулкэ огибающей входного сигнала и при наличии разре0 шения с триггера 11 управления, чем исключается возможность ложных срабатываний триггера-И управления по последующим импульсам из серии и ложных срабатываний триггера 15 измерения периода в случаях, когда ij меньше измеряемого временного сдвига фаз.

Первый импульс из последующей серии опорного сигнала про.чодит через опорный канал 7, инвертор 14 на вход триггера 15 измерения периода, а также элемент 1 -HP.

0 10 на вход триггера 11 управления. Трч.п-ер 15 изменяет свое состояние на «О, чем заканчивается формирование интервала ире мени, соответствующего периоду входных сигналов на входе элемента И 18. Триггер. 11 изменяет свое состояние на «1 и вновь

5

5

происходит переключение управляющих cni- налов.

Аналогично сложный измеряемый сигна.ч проходит через устройства 2-4 и 9 на гер 11 управления, изменяет его состояние на «О, переключает управляющие сигналы, т.е. возвращает преобразователь фаза-код в исходного состояние.

Повторного формирования интервала времени, соответствующего фазовому сдви35 гу на входе элемента И 12, не происходит, так как этот элемент управляется от прямого выхода триггера 15 измерения периода, который блокирует его после однократного замера интервала времени, соответствую40 щего периоду входных сигналов, и снимает блокировку с началом нового цикла измерения. Стабильные высокочастотные колебания от генератора 20 квантующих импульсов, который может быть выполнен на логических интегральных схемах с кварцевой

45 стабилизацией частоты, поступают через элементы И 16 и 18, на входах которых присутствуют сформированные триггерами 11 и 15 интервалы времени, на двоичные счетчики импульсов 19 и 20, где происходит

5Q подсчет и запоминание импульсов, соответствующих периоду н фазовому сдвигу.

Временные диаграммы работы функциональных узлов (фиг. 1) представлены на фиг. 3, где т - длительность задержки одновибратора 13; Ц, ,Un - соответствен55 но сигналы на прямом и инверсном выходах триггера 11 управления; Ujj - сигнал на выходе одновибратора 15; U,s, U,7 - соответственно сигналы на прямом и инверсном выходах триггера 15 измерения периода; UK , Uig - соответственно сигналы на выходах элементов И 16 и 18.

На выходе предлагаемого преобразователя имеется параллельный двоичный код измеренного фазового сдвига и периода, время измерения составляет один период входных сигналов (IT). Полученный код в дальнейшем снимается вычислительным устройством (ЭВМ, микрокомпрессор) по сигналу «Разрешение записи («Р.З.), сформированному триггером 15 измерения периода. Сигнал «Р.З. формируется по окончании подсчета импульсов в счетчиках 17 и 19, его длительность равна IT. Время, равное IT, достаточно вычислительному устройству для проведения необходимых подсчетов и индикации полученных результатов. Таким образом, полное время цикла «измерение - обработка составляет 2Т. Вычисление осуи},ествляется по формуле

Nip

иг

360°,

где Nly - число импульсов, зарегистрированных счетчиком, соответствующих фазовому сдвигу;

-число импульсов, зарегистрированных счетчиком, соответствую- ших периоду входных сигналов. Возможно осуш,ествление вычисления частоты F входного сигнала по формуле

р f гкн

где {ркн - частота генератора квантующих импульсов.

Преобразователь может использоваться для построения быстродействующего автоматизированного измерителя фазочастот- ных параметров, предназначенного для проведения статического и в первую очередь динамического контроля существенно переменных во времени сигналов как простьЕх или сложных, так и их комбинаций с основной погрешностью не более 0,1

Цифровой фазометр НФ-32, применяемый в измерительной технике для статического контроля, предназначен для измерения сдвига фаз между двумя синусоидальными или двумя радиоимпульсными сигналами с основной погрешностью не более 0,5° и временем измерения от 0,1 до 1 с.

По сравнению с промыщленным прибором НФ-32 новый измеритель фазочастот- ных параметров, построенный на основе коммутационного преобразователя, обладает при равных пределах измерения (0... 360°) и диапазоне входных сигналов (0,1... 10В) значительно меньшей погрешностью измерения (не более 0,1°), высокой достоверностью, максимальным быстродействием

(измеритель мгновенных значений), возможностью работать с различными сложными сигналами или их комбинацией с простыми, большими возможностями автоматизации за счет исключения калибровочных и настроечных операций, возможностью проведения статического, динамического контроля статической обработки результатов. Эти свойства позволяют давать наиболее объективную оценку объекта контроля и приме- нять прибор для решения задач, использующих фазочастотные принципы, при этом информационно-измерительные системы освобождаются от дополнительного оборудования и линий связи, увеличивается их на- 5 дежность, эффективность, экономичность.

Формула изобретения

Коммутационный преобразователь фаза-код, содержащий первый и второй элек тронные ключи, информационные входы которых соединены с входными шинами преобразователя, а управляюшие входы - с прямым и инверсным выходами триггера управления соответственно, выходы обоих

5 ключей соединены с входом формирователя, генератор квантующих импульсов, выходом через элемент И соединенный с входом счетчика, выходы которого являются выходами преобразователя, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных

0 возможностей за счет обеспечения измерения мгновенного значения фазы сложных сигналов, повышения достоверности и уменьшения собственной методической погрешности, в него введены третий электронный ключ, три одновибратора, ячейка ИЛИ, ин вертор, триггер измерения периода, два элемента И и второй счетчик, приче.м выход формирователя соединен с информационным входом непосредственно и с управляющим входом третьего электронного ключа через

0 последовательно соединенные два одновибратора, выход третьего электронного ключа соединен с входом ячейки ИЛИ, выходом соединенной с входом триггера управления, прямым выходом соединенного с вторым

5

входом ячейки ИЛИ и входом второго элемента И, а инверсным выходом - непосредственно с третьим входом ячейки ИЛИ, а через третий одновибратор - с четвертым входом ячейки ИЛИ, второй выход которой через инвертор соединен с входом

0 триггера измерения периода, прямой выход которого через второй вход второго элемента И соединен с вторым входом первого элемента И, а через третий элемент И соединен с входом второго счетчика, выходы которого являются выходами преобразова5 те.-1я, выход генератора квантующих импульсов соединен с вторым входом третьего элемента И.

i2

6

Ti

r/

Uii Uil

%

% %

фиг. 2

Изобретение может быть использовано в информационно-измерительных и управляющих системах для измерения фазовых сдвигов электрических сигналов. Коммутационный преобразователь (КП) фаза - код содержит электронные ключи -1,2,4, формирователь 3, одновибраторы 5,6,13, опорный канал 7, измерительный канал 8, ячейку ИЛИ 9, элемент И-НЕ 10, триггер 11 управления, элементы И 12, 16, 18, инвертор 14, триггер 15 измерения периода, счетчики 17, 19, генератор 20 квантующих импульсов. Изобретение расширяет функциональные возможности КП за счет фазы сложных сигналов, повышает достоверность и уменьшает собственные методические погрешности. 3 ил. (Л оо оо сд 00 со со Фи2.1