Цифровой фазометр Советский патент 1987 года по МПК G01R25/00 

Изобретение относится к фазоизме- рительной технике и может быть использовано для измерения фазовых сдвигов, превышающих 360 ,

Целью изобретения является уменьшение погрешности динамических измерений фазового сдвига.

На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого ufi poBoro фазо- метра, на фиг. 2 - структурная схема блока управления.

Структурная схема цифрового фазометра (фиг, 1) содержит первый и второй формирователи 1 и 2, входы кото- рых являются входами 3 и 4 фазометра, блок 5 определения числа циклов, входы которого соединены с выходами формирователей 1 и 2, реверсивный счетчик 6 импульсов, входы которого соединены с выходами блока 5 определения числа циклов, управляемый генератор 7 тактовых импульсов, вход которого подключен к выходу формирователя 1, а выход - к синхровходу бло- ка 5 определения числа циклов и счетному входу счетчика 8 импульсов, вхо установки нуля которого соединен с выходом формирователя 1, первый регистр 9, входы m младших разрядов ко торого подключены к выходам счётчика 8 импульсов, а входы п старших разрядов - к выходам реверсивного счетчик 6 импульсов, вход записи в младшие разряды регистра 9 подключен к выхо- ду формирователя 2 непосредственно, а вход записи в старшие разряды - к выходу формирователя 2 через линию 10 задержки, (m+n+k)-разрядный четы- рехвходовой сумматор 1.1, выходы ко- торого через второй регистр 12 подключены (m+n+k) старшими разрядами к цифровому индикатору 13, кроме того, выходы второго регистра 12 (т+ +n+k)-разрядами соединены с первой группой входов сумматора 11 непосредственно, а с второй группой входов - через преобразователь 14 кода,третья группа входов сумматора 11 младшими (т+п) разрядами подключена к выходам первого регистра 9, а соединенными параллельно старшими k-разрядами -.к старшему (т+п)-му выходу первого регистра 9, четвертая группа входов сумматора 11 подключена младшими (ш-«- +п) разрядами через соединенные последовательно преобразователь 15 кода и динамический регистр 16 сдвига к соответствующим выходам первого

5 0 5 О Q g

0

5

регистра У, а старши ш k-разрядами - к выходу старшего (m+n)-i o разряда преобразователя 15 кода, при зтом первый и третий входы переносов сумматора 11 соединены с заземленной шиной 17,а второй и четвертый входы - с шиной 18 логической 1, блок 19 установки нуля, выход которого подключен к входам установки нуля реверсивного счетчика 6 импульсов и первого и второго регистров 9 и 12, блок 20 управления, вход 21 которого подключен к выходу линии 10 задержки, а три выхода блока 20 управления подключены соответственно: первый выход 22 - к входу записи второго ре гистра 12, второй выход 23 - к входу раэрешения преобразователя 14 кода, а третий выход 24 - к входу записи динамического регистра 16 сдвига.

Структурная схема блока 20 управления (фиг. 2) содержит последовательно соединенные управляемый генератор 25, вход которого является входом 21 блока 20 управления, делитель 26 частоты с переменным козффициен- том деления, и две линии 27 и 28 задержки, выходы которых соединены соответственно с выходами 24 и 22 блока 20 управления, формирователь 29,вход которого подключен через переключатель 30 к заземленной шине 17, триггер 31, информационный вход которого соединен с заземленной шиной 17, вход установки единицы триггера 31 - с выходом линии 28 задержки, а син- хровход - с выходом формирователя 29, выход триггера 31 подключен к выходу 23 блока 20 управления.

Цифровой фазометр позволяет получать в i-OM периоде входного сигнала мгновенные значения количества целых фазовых циклов N; и доли целого цикла uN;, содержащиеся в измеряемом фазовом сдвиге, усреднять мгновенные значения полных фазовых сдвигов N, N; + ДЫ;, полученные за 2 периодов входного сигнала,где k 1, 2, 3,..., непосредственно предшествующих i-ому периоду сигнала, и выполнять коррекцию результата измерения с учетом начального фазового сдвига MQ, полученного при установке нуля. Результат измерения полного фазового сдвига Ф определяется в соответствии с выражением

2

ф -.c:(M,-M,.,J-M.

где

360°

- дискрет измерения фазового

сдвига, определенный разрядностью счетчика 8, причем М- О, для

л It1 2

всех 1 : 2 .

В цифровом фазометре очередное усредненное скорректированное значение полного фазового сдвига определяется в каждом периоде входного сигнала. В прототипе каждое новое

генератора 7 частотой f

ex

(где

10

fQj - частота входных сигналов).Счет чик В импульсов устанавливается в ноль импульсами с выхода формирователя 1. При поступлении на вход записи в младшие разряды регистра 9 сигналов с выхода формирователя 2, т-разрядный двоичный код с выхода

значение полного фазового сдвига оп- 15 счетчика 8 импульсов, соответствуюределяется через 2 периодов входного сигнала. Таким образом, время измерения в предла1 аемом устройстве значительно уменьшено по сравнению с прототипом при сохранении высокой точности измерения, достигаемой за счет усреднения 2 мгновенных значений полных фазовых сдвигов, а также за счет корректировки результата измерения с учетом начального фазового сдвига.

Цифровой фазометр работает следующим образом.

До начала измерений блоком 19 ус20

щий в эти моменты времени текущему значению Доли фазового цикла AN , записывается в младшие разряды регистра 9. Полученные на выходе регистра 9 коды полных фазовых сдвигов М; поступают далее для выполнения арифметических операций,предусмотренных формулой (1), на накапливающий сумматор, образованный собст- 25 венно четырехвходовым сумматором 11 и регистром 12.

Усредненное значение полного фазового сдвига определяется следующим образом. Текущие мгновенные значения

тановки нуля производится установка 30 М, поступают на третью группу входов в нулевое состояние реверсивного счет- четырехвходового сумматора 11 для чика 6 импульсов и регистров 9 и 12.

сложения с полученной в предыдущем такте суммой, поступающей на первую 1 руппу входов сумматора 1 1 с выходов регистра 12. Одновременно на четвертую группу входов сумматора 11 приходят коды мгновенных значений полных фазовых сдвигов, задержанных динамическим регистром 16 сдвига на 2 тактов, т.е. коды М (прием и сдви информации в регистре 16 осуществляется одной и той же последовательностью импульсов, поступающей на вход записи с выхода 24 блока 20 управления) . При этом преобразователь 15 кода осуществляет преобразование входного числа в и пред ставление последнего в инверсном коде, а с учетом логической 1 на вхо де переноса четвертого слагаемого сумматора 11 обеспечивается предКроме того, код нуля с выхода регистра 9 переписывается в динамический регистр 16 сдвига при подаче на вход 35 записи последних импульсов с выхода 24 блока 21 управления. Исследуемые гармонические сигналы, фазовый сдвиг между которыми подлежит измерению, поступают с входов 3 и 4 цифрового 40 фазометра на формирователи 1 и 2, которые в моменты времени, соответствующие нуль-переходам входных сигналов, формируют короткие импульсы. При изменении фазового сдвига между 45 входными сигналами более, чем на +360 на соответствующем выходе блока 5 определения числа циклов формируется импульс, который изменяет выходной код реверсивного счетчика 50 6 импульсов на ±1. Текущие значения N; , представленные п-разрядными двоичными кодами, с выхода реверсивного счетчика 6 переписываются в старшие

сложения с полученной в предыдущем такте суммой, поступающей на первую 1 руппу входов сумматора 1 1 с выходо регистра 12. Одновременно на четвер тую группу входов сумматора 11 приходят коды мгновенных значений полных фазовых сдвигов, задержанных ди намическим регистром 16 сдвига на 2 тактов, т.е. коды М (прием и сдв информации в регистре 16 осуществля ется одной и той же последовательно стью импульсов, поступающей на вход записи с выхода 24 блока 20 управле ния) . При этом преобразователь 15 кода осуществляет преобразование входного числа в и пре ставление последнего в инверсном ко де, а с учетом логической 1 на вх де переноса четвертого слагаемого сумматора 11 обеспечивается представление -М

,-2

дополнительным ко

дом. Таким образом, в каждом следую щем, например i+1 такте измерения

(т+п) разряды регистра 9 импульсом с 55 к полученной ранее сумме прибавляют

выхода формирователя 2, задержанным линией 10 задержки на время срабатывания блока 5 определения числа циклов и реверсивного счетчика 6.

(1+1)-й отсчет и вычитают (i+1-2 )-й Полученный после сложения результат запоминается в pei Hcrpe 12 при поступлении на вход записи последнего

(1)

ового

1348744

Определение текущего значения доли фазового цикла bN осуществляется в т-разрядном двоичном счетчике 8 при поступлении на его вход последовательности импульсов с управляемого

В

генератора 7 частотой f

ex

(где

fQj - частота входных сигналов).Счетчик В импульсов устанавливается в ноль импульсами с выхода формирователя 1. При поступлении на вход записи в младшие разряды регистра 9 сигналов с выхода формирователя 2, т-разрядный двоичный код с выхода

0

щий в эти моменты времени текущему значению Доли фазового цикла AN , записывается в младшие разряды регистра 9. Полученные на выходе регистра 9 коды полных фазовых сдвигов М; поступают далее для выполнения арифметических операций,предусмотренных формулой (1), на накапливающий сумматор, образованный собст- 5 венно четырехвходовым сумматором 11 и регистром 12.

Усредненное значение полного фазового сдвига определяется следующим образом. Текущие мгновенные значения

М, поступают на третью группу входов четырехвходового сумматора 11 для

сложения с полученной в предыдущем такте суммой, поступающей на первую 1 руппу входов сумматора 1 1 с выходов регистра 12. Одновременно на четвертую группу входов сумматора 11 приходят коды мгновенных значений полных фазовых сдвигов, задержанных динамическим регистром 16 сдвига на 2 тактов, т.е. коды М (прием и сдви информации в регистре 16 осуществляется одной и той же последовательностью импульсов, поступающей на вход записи с выхода 24 блока 20 управления) . При этом преобразователь 15 кода осуществляет преобразование входного числа в и представление последнего в инверсном коде, а с учетом логической 1 на входе переноса четвертого слагаемого сумматора 11 обеспечивается представление -М

,-2

дополнительным кодом. Таким образом, в каждом следующем, например i+1 такте измерения.

к полученной ранее сумме прибавляют

(1+1)-й отсчет и вычитают (i+1-2 )-й. Полученный после сложения результат запоминается в pei Hcrpe 12 при поступлении на вход записи последнего

сигнала с выхода 22 блока 20 управления и отображается индикатором 13. При этом операция деления на 2 аппаратурно вьтолняется путем считывания результата суммирования с выходов старших (m+n) разрядов регистра 12, т.е. со сдвигом на k двоичных разрядов.

Количество усредненных значений может быть выбрано равным 2 , где р О - k. С этой целью в блоке 20 управления предусмотрено формирование тактовой последовательности имk Р

пульсов с частотой f f , 2 , которая формируется последовательно включенным управляемым генератором 25 (с коэффициентом умножения 2 ) и делителем 26 частоты (с коэффициентом деления 2). Таким образом, за период входного сигнала на вход записи регистра 12 поступает 2 импульсов, а коды М задерживаются в динамичеси

КОМ регистре 16 сдвига не на 2 перир

одов, а на 2 периодов входного сигнала. Поэтому цифровым индикатором 13 будет индицироваться результат,равный

360° Г1 „.--р v,,. ., al

360 г i f.. .. -.1 - -pIZ(M;-M; p) , I Z. ;r:0

(2)

Т.е. значение полного фазового сдвиft

га, усредненное по 2 мгновенным значением М; .

Калибровка фазометра выполняется следуюЕДИм образом. В момент замыкания переключателя 30 формирователь 29 вырабатывает короткий импульс, которым осуществляется запись логического О в триггер 31 с его D-входа Триггер 31 устанавливается в 1 с приходом очередного импульса с выхода линии 28 задержки на вход установки в единичное состояние. Сформированны на инверсном выходе триггера 31 импульс с выхода 23 блока 20 управления поступает на вход разрешения преобразователя 14 кода. Таким образом, в течение длительности импульса на вторую группу входов сумматора 11, с учетом логической 1 на входе переноса второг о слагаемого, поступает число -MO, представленное дополнительным кодом, которое суммируется с полученным ранее результатом и запоминается в регистре 12 при пос3487А46

туплении на вход записи последнего импульса с выхода 22 блока 20 уп- рав.пения, совпадающего во времени с сигналом на выходе триггера 31.

Цифровой фазометр позволяет определять усредненные значения полных фазовых сдвигов по результатам 2 (где ) измерений мгновенных фа-

1Q зовых сдвигов, предшествующих текущему значению. Таким образом, определение каждого нового усредненного значения полного фазового сдвига осуществляется за время, равное периоду

g входного сигнала, т.е. время измерения устройства Tj,1/fg,.

В прототипе каждое новое усредненное значение получают после обну2Q ления регистров фазометра и суммиро- вания следующих 2 результатов измерения мгновенных фазовых сдвигов.Поэтому для прототипа время измерения составляет . Следова25 тельно, выигрьш в уменьшении времени измерения при использовании цифрового фазометра можно оценить отношени- р /Т„,„ 2 .

30 Формула изобретения

Цифровой фазометр, содержащий первый и второй формирователи, входы которых являются входами фазометра,бло определения числа циклов (оборотов), входы которого соединены с выходами формирователей, реверсивный счетчик импульсов, входы которого соединены с выходами блока определения числа

4Q циклов, управляемый генератор тактовых импульсов, вход которого подключен к выходу первого формирователя, а выход - к синхровходу блока определения числа циклов и счетному

g входу счетчика импульсов, вход установки нуля которого соединен с выходом первого формирователя, первый регистр, входы младших разрядов которого подключены к выходам счетчика

Q импульсов, а входы старших разрядов - к вь ходам реверсивного счетчика импульсов, вход записи в младшие разря - ды первого регистра подключен к выходу второго формирователя непосред55 ственно, а вход записи в старшие разряды - к выходу второго формирователя через линию задержки, второй регистр цифровой индикатор, входы которого соединены с выходами второго регист35

7

pa, блок установки нуля, выход которого подключен к входам установки нуля реверсивного счетчика импульсов, первого и второго регистров, и блок управления, первый выход которого соединен с входом записи второго регистра, отличающийся тем, что, с целью уменьшения погрешности динамических измерений фазового сдвига, в него введены четырехвходовой су матор, выходы которого подключены к входам второго регистра, динамический регистр сдвига и два преобразователя кода, выходы второго регистра соединены с первой группой входов четырехвходового сумматора, а с второй группой входов - через первь1й преобразователь кода, третья группа входов четырехвходового сумматора соединена младшими разрядами с соответствующими выходами первого регистра, а соединенными параллель10

48744S

но старшими разрядами - с выходом старшего разряда первого регистра, четвертая группа входов четырехвхо- довог о сумматора подключена младшими разрядами к соответствующим выходам второго преобразователя кода, а соединенными параллельно старшими разрядами - к выходу старшего разряда второго преобразователя кода,входы которого через динамический регистр сдвига соединены с выходами первого регистра, вход записи динамического регистра подключен к второму . выходу блока управления, первый и третий входы переносов четырехвходового сумматора соединены с земляной шиной, а второй и четвертый входы переноса- с шиной логической единицы, блок управления подключен входом к выходу линии задержки, а третьим выходом - к входу разрешения первого преобразователя кода.

20

Изобретение может быть использовано для измерения фазовых сдвигов, превышающих 360°. Целью изобретения является уменьшение погрешности динамических измерений фазового сдвига. Для зтого в цифровой фазометр дополнительно введены: четырехвходовый сумматор 11, динамический регистр 16 сдвига и два преобразователя кода 14 и 15. Кроме того, фазометр содержит формирователи 1 и 2, входы 3 и 4, блок 5 определения числа циклов, реверсивный счетчик 7 импульсов, управляемый генератор 7 тактовых импульсов, счетчик 8 импульсов, регистры 9 и 12, линию 10 задержки, цифровой индикатор 13, заземленную шину 17, шину 18 логической единицы,блок 19 установки нуля, блок 20 управления с входом 21 и выходами 22, 23 и 24. Предложенный фазометр позволяет определить усредненные значения полных фазовых сдвигов по результатам измерений мгновенных фазовых сдвигов, предшествующих текущему значению. Время измерения , , где f - частота входных сигналов. 2 ил. в сл со 4 оо

Фиг. 2

Составитель С.Кулиш Редактор Ю.Середа Техред М.Ходанич

Заказ 5185/44 Тираж 729Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/3

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ул;город, ул. Проектная, 4

Корректор М.Демчик