Устройство для измерения сдвига фаз Советский патент 1988 года по МПК G01R25/08 

кэ

со

Од

11

Изобретение относится к технике цифровой фазометрии и предназр1ачено использования в автоматизированных информационно-измерительных системах для измерения фазового сдвиг .электрических колебаний низкой частоты за один период.

Цель изобретения - повьлление точности измерения сдвига фаз.

На фиг. 1 приведена функциональная схема предлагаемого устройства; фн-г. 2 - эпюры напряжений. ; Устройство для измерения сдвига фаз содержит формирователи 1 и 2, эходы которых соединены с входными клеммами устройства, триггер 3, пря ой выход которого соединен с первы ходом элемента И 4, инверсный - с йервыми входами элемента ИЛИ-НЕ 5 и Клеммой синхровыхода устройства, |)-вход соединен с клеммой синхро- йхода устройства, R-вход совместно с одноименным рходом счетчика 6, Поразрядно соединенного выходами с входами управляемого делителя 7 частоты, соединен с выходом элемента И 8, первьй вход которого соединен е выходом одновибратора 9, объедине його входами с инвертором 10. Выход |юследнего соединен с первым входом : лемента И 11, соединенного выходом через одновибратор 12 с входом разр фения параллельной записи счетчика |3, выходы которого соединены с вы- :|{одньми клеммами устройства, а вход t выходом управляемого делителя 7 1|1астоты, соединенного входом с выхо ом элемента И 14, первый вход которого соединен с выходом опорного генератора 15 и третьим входом ta И 4. Вторые входы элементов И 8 И, 14 соединены с выходом элемента ИЛИ-НЕ 5, второй вход которого соед

бы и N.

яен с вторым входом элемента И 4. Вы- квантования последнего из указанных

ход элемента ИЛИ 16 соединен с- вторым Входом элемента ИЛИ-НЕ 5, а входы - с входом и выходом соответственно элемента 17 задержки, вход которого . соединен с выходом формирователя 1. Вход элемента 18 задержки соединен ,с Выходом формирователя 2, а выход - с входом инвертора 10. При этом делитель 19 частоты соединен выходом с входом, R-выходом - с одноименным Входом счетчика 6, а входом - с выходом элемента И 4, С-вход D-триггера 3 соединен с выходом элемента 17 задерж ки.

интервалов выше в 180 раз (при измерениях в градусах) или в Яраз (при измерениях в радианах), то за интервал, пропорциональный сдвигу фаз.

50

fTN,

со55

будет подсчитано 180 К или ответственно импульсов.

При переходе через нуль в любом направлении измеряемого сигнала также с задержкой элементом 18 одновиб ратор 9 формирует короткий импульс, который, пройдя через элемент И 8, (так как на другом его входе присут ствует логическая 1), переводит в нулевое состояние триггер 3, обну

Измерение сдвига фаз осуществляется следуюи{им образом.

При поступлении на вход синхронизации устройства разрешающего уровня по первому же переходу через нуль опорного сигнала (снизу вверх), преобразованного формирователем 1 в од- нополярные импульсы длительностью в полпериода колебания, триггер 3 устанавливается в 1 по динамическому входу, формируя на входе элемента

1, который в совокуп- с присутствующим на другом его с элемента ИЛИ 16

И 4 уровень

ности

входе уровнем

разрешает прохождение импульсов опорного генератора 15 на делитель 19 частоты и далее на вход счетчика 6, устанавливая его в состоянии Npу. Первый же импульс, поступающий на вход счетчика 6, вызывает обнуление счетчика 13. По окончании полупериода опорного сигнала на выходе формирователя 1 оказывается уровень логического О, и через время задержки элемента 17 такой же уровень появляется на выходе элемента ИЛИ 16, запрещая по первому входу элемента И 4 прохождение импульсов на делитель 19 частоты и счетчик 6.

Сигналы нулевого уровня с инверсного входа триггера 3 и выхода элемента ИЛИ 16 устанавливают на выходе элемента ИЛИ-НЕ 5 уровень логической 1, который, поступая на вход элемента И 14, разрешает прохождение импульсов с опорного генератора 15 квантую- I щих импульсов на управляемый делитель 7 частоты. Очевидно, что при равной частоте квантования ременных интервалов, пропорциональных соответственно полупериоду и сдвигу фаз сигналов, число квантующих импульсов составило Но, так как частота

бы и N.

квантования последнего из указанных

квантования последнего из указанных

интервалов выше в 180 раз (при измерениях в градусах) или в Яраз (при измерениях в радианах), то за интервал, пропорциональный сдвигу фаз.

fTN,

со

будет подсчитано 180 К или ответственно импульсов.

При переходе через нуль в любом направлении измеряемого сигнала также с задержкой элементом 18 одновибратор 9 формирует короткий импульс, который, пройдя через элемент И 8, (так как на другом его входе присутствует логическая 1), переводит в нулевое состояние триггер 3, обну- 140

ляет счетчик 6 и делитель 19 частоты, подготавливая их к следующему циклу измерения. Причем указанный импульс, если он формируется в первый полупе

через элемент И 8, так как на другом его входе в это время присутствует логический О с выхода элемента ИЛИ- НЕ 5, определяемый уровнем логической 1, поступающим с формирователя 1 через элемент ИЛИ 16.

Если измерение осуществляют в градусах, то с учетом коэффициента деления делителя 19 частоты, равного 180, в счетчике 13 получают чиcлo численно равное сдвигу фаз в градусах:

(/

- 180 Ит

N

0,5 т

де N

число квантующих импульсов, которое было бы подсчитано за временной интервал, пропорциональ- ный сдвигу фаз при равенстве квантующих частот;„ число квантующих импуль- сов за временной интервал, пропорциональный полупериоду. Если измерение осуществляется в

К

0,5 т

радианах, то.

очевидно,

/Ги

VT

то есть отсчет результата получают в радианах.

- Если сдвиг фаз превьшает 180° или ff, то в момент начала счета импульсов, квантующих временной интервал, пропорциональный сдвигу фаз, в счетчик 13 параллельно записывают код числа 18б для измерения в градусах или числа для измерения в радианах. Запись осуществляют цодачей короткого импульса на вход разрешения параллельной записи указанного счетчика 13, формируемого одновибратором 12 при появлении на выходе элемента И 11 уровня логической 1, определяемого уровнями логической 1 на его входах соответственно с выхода инвертора 10 и элемента ИЛИ-НЕ 5. Указанные коды формируют соответствующим подключением входов параллельной записи счет чика 13 (не показано).

5

g

В устройстве-прототипе импульсы, квантующие временной интервал, пропорциональный полупериоду колебаний, не синхронизированы с моментами начала и окончания этого интервала (фиг. 2а,б,в), и вследствие случайного характера взаиморасположения этих моментов с первым и последним

квантующими импульсами максимальная погрешность квантования может достигать + отсчет (фиг. 2 в).

В предлагаемом устройстве за счет включения делителя 19 частоты

5 после первого элемента И 4, в свою очередь соединенного с опорным генератором .15, погрешность синхронизации начала отсчета квантующих импульсов составляет i/180 длительности одного

0 отсчета, то есть практически совпадает с моментом начала квантуемого временного интервала. За счет этого максимальная погрешность квантования составляет I отсчет, а поле погреш5 ности расположено в интервале (-1, 0) отсчетов (фиг. 2 г,д). При этом .начало отсчета импульсов квантующих временной интервал, пропорциональный полупериоду, практически (с погрещ0 ностью 1/180 отсчета частоты F, которой в сравнении с общей погрешностью 1/2 отсчета можно пренебречь) совпадает с моментом начала этого интервала. Момент окончания этого

5 интервала посредством элемента 1 задержки задерживается на f „ что увеличивает длительность интервала на 1 (фиг. 2 е, ж)„ Это эквивалентно смещению поля на погрешности

0 ( 0) отсчетов также на f , равное 1/2 отсчета 1/F, то есть преобразованию.его в (-0,5, -f-OsS) отсчета (фиг. 2 з,п).

Таким образомг погрешность кван тования указанного временного интервала, определяющая в основном общую погрешность измерения (составляющая погрешность измерения, определяемая в 180 раз меньшей погрешностью квантования BpejyieHHoro интервала, пропорционального фазовому сдвигу, значительно меньше), удается уменьшить в 2 раза. По указанным причинам почти на такую же величину повьшается точность измерения фазового сдвига.

Поскольку задержка временного интервала, пропорционального полуперио- ду на Т изменила бы результат изме5

рения, то во избежании этого элемент

8 задержки осуществляет задержку на такую же неличину временного интервала, пропорционального фазовому сдвигу.

Если использовать в качестве элементов 17 и 18 задержки кольцевые счетчики на D-триггерах (по 90 триггеров в каждом), то при подаче на их объ единенные синхровходьг частоты 180 F с опорного генератора 15 вы- ход последнего триггера (являющийся выходом элемента) будет принимать состояние входа первого триггера (являющегося входом элемента) ровно че- :рез 90 импульсов частоты 180 F гене- |ратора 15, что (с учетом коэффициента |деления делителя 19 частоты) состав- пяет половину длительности одного ютсчета частоты F квантования времен ного интервала, пропорционального полупериоду, то есть задержка составляет С . При этом важно, что погрешность несовпадения истинного момента начала того и другого временного ин- тервала с одним из импульсов частоты il80 F генератора 15 не суммируется с )а;ругими погрешностями измерения, рассматриваемыми выше, поскольку все Процессы в устройстве синхронизировайы именно этими импульсами. То есть Погрешность квантования.частоты (180 F, а не F - значит, погрешность 0 180 раз меньше), о которой упоминалось вьше в связи с синхронизацией Начала отсчета квантующих импульсов Частоты и квантованием временного интервала, пропорционального фазовому сдвигу, будет иметь место только здесь, зато в других элементах уст- ройства, синхронизированных частотой 180 F, эта погрешность исключается как раз за счет синхронизации.

Положительный эффект от использо- 1вания предлагаемого устройства заключается в значительном повьпиении точности измерения за счет эквивалентного снижения погрешности квантования.

ормул а. из обр е тения

1. Устройство для измерения сдвига фаз, содержащее два формирователя, входы которых соединены с клеммами входных сигналов устройства, первьй счетчик, счетный вход которого сое- ;з1инен с R-входом второго счетчика.

- Q 5 Q

0

5

0

D-триггер, прямой выход которого соединен с первым входом первого элемента И, а инверсный - с первым входом элемента ИЛИ-НЕ и с клеммой син- хровыхода устройства, D-вход соединен с клеммой синхровхода устройства, а R-вход D-триггера совместно с одноименным входом первого счетчика, поразрядно соединенного выходами с входами управляемого делителя частоты, соединен с выходом второго элемента И, первый вход которого соединен с выходом первого одновибратора, объединенного входами с инвертором, выход последнего соединен с первым входом третьего элемента И, соединенного выходом через второй одновибра- тор с входом разрешения-параллельной записи второго счетчика, выходы которого соединены с выходными клеммами устройства, а вход соединен с выходом управляемого делителя частоты, соединенного входом с выходом четвертого элемента И, первый вход которого соединен с выходом опорного генератора, а вторые входы второго, третьего и четвертого элементов И соединены с выходом элемента ИЛИ-НЕ и делитель частоты, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, в него введены два идентичных элемента задержки и элемент ИЛИ, выход которого соединен с вторым входом элемента ИЛИ-НЕ, а входы - соответственно с входом и выходом первого элемента задержки, вход которого соединен с выходом первого формирователя, вход второго элемента задержки соединен с выходом второго формирователя, а выход - с входом инвертора, при этом выход первого элемента задержки соединен с С-входом D-триггера, делитель частоты .соединен выходом с входом, R-выходом - с R-входом первого счетчика, а входом - с выходом первого элемента И, третий вход которого соединен с выходом опорного генератора, а второй вход элемента ИЛИ-НЕ соединен с выходом элемента ИЛИ.

2. Устройство-по п. , отличающееся тем, что элементы задержки выполнены в виде кольцевых счетчиков, объединенные синхровходы которых соединены с выходом опорного генератора.

0,5Г

Й

отсчета F

I I

Лоле погршно Ути L-1,0 отс

отсчета Поле погрешности 1/1 II I .л HO отсчет

.ности %+1jQmcvem

Лоле погршнос- Ути L-1,0 отсчет

Изобретение относится к технике цифровой фазометрии, предназначено преимущественно для измерения фазового сдвига электрических колебаний за один период. Цель изобретения - повышение точности измере иия сдвига фаэ - достигается за счет введения в уст ройство идентичных элементов задержки 17 и 18 и элемента ИЛИ 16, что эквивалентно снижает погрешность квантования. Кроме того, устройство со-. держит формирователи 1 и 2, триггер 3, элементы И 4, 8, 11 и 14, элемент ШШ-НЕ 5, счетчики 6 и 13, делитель частоты 7, одновибраторы 9 и 12, инвертор 10 и опорный генератор 15. Изобретение может быть использовано в автоматизированных информационно-измерительных системах. 2 шт. i СЛ

Нova/roc

тсчета

пичалиц личеши- /

/I I || I I I I HI

Начоло

5 погре ,5y+0,5

м

W;J7)

r-1-.L -2 F

Ж

Поле погоеш- , ,5

i ocmuL отсчет

-J5

5 погрешности ,5y+0,5j отсчет

и