Цифровой фазометр Советский патент 1988 года по МПК G01R25/00 

1

ND

SO

F

cpui.J

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения фазового сдвига между двумя гармоническими сигналами.

Цель изобретения - повышение помехоустойчивости.

На фиг.1 изображена структурная схема цифрового фазометра; на фиг.2- структурная схема второго блок11 выделения интервала времени; на фиг.З - структурная схема блока управления; на фиг.4 - 9 - временные диаграммы работы цифрового фазометра.

На фиг.1 входы гистерезисных пороговых элементов 1 и 2 соединены с первой входной шиной и входом первого формирователя 3, входы гистерезисных пороговых элементов 4 и 5 соеди- нены с второй входной шиной и входом второго формирователя 6, выходы гис- тереэисных пороговых, элементов 1, 4, 2 и 5 соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертью вхо- дами первого блока 7 выделения интервала времени и с первым, вторым, третьим и четвертым входами второго блока 8 вьщеления интервала времени, первый и второй выходы первого блока 7 вьщеления интервала времени соединены с nepiBbiM и вторым входами блока 9 управления, первый и второй выходы которого связаны соответственно с первыми входами первого 10 и второго

11ключей, выходы которых соединены с входами соответственно реверсивного счетчика 12, выходы которого соединены с входами регистра 13, а управляющий вход реверсивного счетчика

12соединен с выходом элемента 14 задержки, вторые входы первого 10 и второго 11 ключей соединены между собой

и с выходом первого элемента ИЛИ 15, первый вход которого соединен с выхо- дом первого элемента И 16, второй вход элемента ИЛИ 15 соединен с выходом второго элемента И 17, первый вход которого, соединен с выходом элемента 18 задержки, вход которого соединен с выходом генератора 19 и первым входом первого элемента И 16, вторые входы элементов И 16 и 17 соединены соответственно с третьим и четвертым выходами блока 9 управления, третий вход которого соединен с третьим выходом первого блока 7 выделения интервала времени, четвертый и пятый выходы которого соединены с пятым и

шестым входами соответственно второго блока 8 выделения интервала времени, первый и второй выходы которог соединены с четвертым и пятым входами соответственно, блока 9 управления шестой и седьмой входы которого соединены соответственно с выходами первого 3 и второго 6 формирователей, третий выход второго блока 8 выделения интервала времени соединен с управляющим входом регистра 13 и входо элемента 14 задержки, четвертый и пятый выходы второго 8 выделения интервала времени соединены соответственно с пятым и шестым входами первого блока 7 выделения интерйала времени, входы формирователей 20-23 импульсов являются соответственно первым - четвертым входами первого блока 7 выделения интервала времени, выход формирователя 20 импульсов соединен с первым входом элемента И 24, выход которого соединен с входом триггера 25 и первым входом элемента ИЛИ 26, второй вход которого соединен с S-входом триггера 27 и выходом элемента И 28, первый вход которого соединен с выходом формировател 21 импульсов, выход элемента ИЛИ 26 соединен с S-входом триггера 29, выход которого соединен с вторыми входами элементов И 24 и 28, выход формирователя 22 импульсов соединен с первым входом элемента И 30, выход которого соединен с первым входом элемента ИЛИ 31, второй вход которого соединен с выходом элемента И 32, первый вход которого соединен с выходом формирователя 23 импульсов, а второй вход элемента И 32 соединен с выходом триггера 25, первым входом элемента И 33, выход которого соединен с первым входом элемента ИЛИ 34, выход которого соединен с S-входом триггера 35, R-вход которого соединен с выходом третьего элемента ИЛИ 31, и R-входами триггеров 25, 27 и 29, выход триггера 27 соединён с вторым входом элемента И 30 и первым входом элемента И 36, выход которого соединен с вторым входом элемента ИЛИ 34, вторые входы элементов И 33 и 36 являются соответственно пятым и шестым входами первого блока 7 вьщеления интервала времени, выходы триггеров 25 и 27 являются первым и вторым выходами первого блока 7 вьщеления интервала времени, выход тригге31

pa 35 является третьим выходом первого блока 7 выделе шя интервала времени, выходы формирователей 20 и 21 являются соответственно четвертым и пятым выходами первого блока 7 вьще- ления интервала времени.

На фиг,2 входы формирователей 37- 40 импульсов являются соответственно первым - четвертым входами второго блока 8 вьщеления интервала времени, выход формирователя 37 импульсов соединен с первым входом элемента И 41, выход которого соединен с первым входом первого элемента ИЛИ 42, выход которого связан с R-входами триггеров 43-47, второй вход элемента ИЛИ 42 соединен с выходом элемента И 48, первый вход которого соединен с выходом формирователя 38 импульсов, а второй вход присоединен к выходу триггера 43, S-вход которого соединен с первым входом элемента ИЛИ 49 и выходом элемента И 50, первый вход которого соединен с выходом формиро- вателя 39 импульсов, а второй вход присоединен к выходу триггера 45 и первому входу элемента И 51, выход которого соединен с вторым входом элемента ИЛИ 49 и вторым входом триггера 44, выход которого соединен с вторым входом элемента И 41, третий вход которого соединен с выходом триггера 46 и третьим входом элемента И 50, выход формирователя 40 импульсов соединен с вторым входом элемента И 51, третий вход которого соединен с третьим входом элемента И 48 и выходом триггера 47, выход элемента ИЛИ 49 соединен с вторым входом триггера 45, S-входы триггеров 46 и 47 являются пятым и шестым входами соответственно второго блока 8 выделения инте1звала времени, выходы триггеров 43 и 44 являются первым и вто- рым выходами второго блока 8 вьщеления интервала времени, выход элемента ИЛИ 42 является третьим выходом второго блока 8 вьщеления интервала времени, выходы формирователей 39 и 40 импульсов являются соответственно четвертым и пятым выходами второго блока 8 вьщеления интервала времени.

На фиг.З первый вход элемента ИЛИ 52 соединен с первым входом элемента И 53 и является первым входом блока 9 управления, первый вход элемента ИЛИ 54 соединен с первым входом эле

5 0 5 о 0 5

5

178

мента И 55 и является вторым входом блока 9. управления, первый вход элемента ИЛИ 56 соединен с первым входом элемента ИЛИ 57 и является третьим входом блока 9 управления, четвертым входом которого является второй вход Элемента ИЛИ 52, который соединен с первым входом элемента И 58, второй вход элемента ИЛИ 54 соединен с Первым входом элемента И 59 и яр.- ляется пятым входом блока 9 управления, шестым входом которого является вход элемента НЕ 60, выход элемента НЕ 61 соединен с третьим входом эле- ментЗ И 53 и третьим входом элемента И 59, вход элемента НЕ 60 соединен с вторым входом элемента ИЛИ 56, вход элемента НЕ 61 является седьмым входом блока 9 управления и присоединен к второму входу элемента ИЛИ 57, выход которого связан с вторым входом элемента И 58 и вторым входом элемента И 55, выход которого соединен с первым входом элемента ИЛИ 62, второй вход которого соединен с выходом элемента И 53, второй вход которого соединен с выходом элемента ИЛИ 56 и вторым входом элемента И 59, выход которого связан с первым входом элемента ИЛИ 63, второй вход которого соединен с выходом элемента И 58, третий вход которого соединен с выходом элемента НЕ 60 и третьим входом элемента И 55, выходы элементов ИЛИ 52, 54, 62-И 63 являются соответственно первым, вторым, третьим и четвертым выходами блока 9 управления.

Фазометр работает следующим образом.

В момент включения все триггеры первого 7 и второго 8 блоков вьщеления временного интервала и реверсив- ный счетчик 12 устанавливаются в нулевое состояние.

На первую входную шину поступает первый входной синусоидальный сигнал, на вторую входную шину - второй входной синусоидальный сигнал, фазовый сдвиг между которыми нужно изменить. Первый входной сигнал поступает на входы первого 1 и второго 2 гисте1 е- зисных пороговых элементов и первого формирователя 3 и преобразуется в прямоугольные сигналы той же частоты. Формирователь 3 представляет собой компаратор и обеспечивает на выходе . сигнал высокого уровня при превыше5U

НИИ синусоидальным сигналом и помехой установочного уровня (Uye7 )

При Нсшичии переменной составляющей помехи на выходе формирователя 3 кроме основного импульса, наблюдаются в начале и конце нескольких коротких импульсов (фиг.4-9в).

Гистерезисные .пороговые элементы построены так, что напряжение гисте- резиса выбрано большим, чем двойная амплитуда возможной помехи, поэтому на их выходе появляется сигнал высокого уров.ня при превышении сигналом напряжения срабатывания () и на- блюдается сигнал низкого уровня при уменьшении сигнала ниже напряжения отпускания ( ), и отсутствуют короткие импульсы в начале и в конце. Уровни срабатывания и отпускания пер вого гистерезисного элемента 1 выбраны так, чтобы он срабатывал раньше чем первый формирователь 3, т.е.

огп, U-fr Уровни срабатывания второго поро-

гового элемента 2 выбраны так, чтобы он срабатьшал позже первого формирователя 3, т.е.

и УС-у огпг Р2

Второй входной сигнал поступает на входы второго формирователя 6, третьего 4 и четвертого 5 гист.ерезис ных пороговых .элементов 4 и 5, которые построены и работают аналогично указанным.

Уровни срабатывания и отпускания выбраны следующим образом:

ирГпэ - РЗ UOTO/J Ucp2

Напряжение гистерезиса такое же, как и у пороговых элементов 1 и 2. Сигналы с выходов гистерезисных пороговых элементов 1, 2 и 4, 5 поступают на входы первого и второго блоков 7 и 8 вьщёления интервала времени.

Первый блок 7 выделения интервала времени используется для вьщеления интервала времени между передними фронтами. В зависимости от взаимного расположения во времени импульсов с выходов гистерезисных пороговых элементов 1 и 4 (фиг.4-9д, е) раньше формирует импульс по переднему фронту входного импульса формирователь 20 импульсов или формирователь 21 импульсов .

Возможные варианты формирования време1шого интервала между передними фронтами следующие.

д j 0

5

о

д

5

0

5

786

Временной интервал должен быть организован так, чтобы он начинался немного ранее, чем первый из двух сигналов с выходов формирователей 3 и 6 (фиг.4-6в, фиг.7-9г), ги кончался после окончания переходных процессов в переднем фронте второго сигнала (фиг.4-6г, фиг.7-9в).

В первом случае первым приходит передний фронт сигнала с гистерезисного порогового элемента 1, формирователь 20 импульсов выдает импульс по переднему фронту сигнала (фиг.4- 6м), который поступает с четвертого выхода первого блока 7 выделения интервала времени на пятый вход второго блока 8 выделения интервала времени для подготовки его в рабочее положение, и проходит через элемент- И 24, устанавливает первый триггер 25 в единичное состояние, проходит через элемент ИЛИ 26, устанавливает третий триггер 29 также в единичное состояние, второй триггер 27 остается в нулевом состоянии. Единичное состояние первого триггера 25 (фиг.4- 6и) и нулевое состояние второго триггера 27 (фиг.4-6к) говорят о наличии положительного фазового сдвига между передними фронтами сигналов. Триггер 27 блокирует элементы И 30 и 36, триггер 29 блокирует элементы И 24 и 28, элементы И 32 и 33 остаются открытыми. По переднему фронту сигнала с выхода четвертого гистерезисного порогового элемента 5 (фиг.4-6з) формирователь 23 форпирует импульс (фиг.7-9н), который, проходя через элементы И 32 и ИЛИ 31, устанавливает триггеры 25, 27, 29 и 35 в нулевое состояние, по этому импульсу заканчивается временной интервал.

Во втором случае (фиг.7-9) первым проходит передний фронт с гистерезисного порогового элемента 4, импульс с формирователя 21 устанавливает в единичное состояние второй и третий триггеры 27 и 29, первый триггер 25 блокируется. Окончание временного интервала происходит по переднему фронту гистерезисного порогового элемента 2 формирователем 22 импульсов. . Единичное состояние второго триггера 27 (фиг.7-9к) и нулевое состояние первого триггера 25 (фиг.4-6и) говорит о наличии отрицательного фазового сдвига между передними фронтами сигналов. Сигналы с первого выхода (выход триггера 25) и второго выхода (выходы триггера 27) первого блока 7 выделения интервала времени поступают на первый и второй входы блока 9 управления.

Второй блок 8 выделения интервала времени используется для организации временного интервала между задними фронтами. В зависимости от взаимного расположения во времени импульсов с выходов гистерезисных пороговых зле- ментов 2 и 5;(фиг.) раньше формируется импульс по заднему фронту сигнала с гистерезисного порогового элемента формирователем 39 или формирователем 40 импульсов. Временной интервал организуется так, чтобы он начинался раньше начала переходных продессов в заднем фронте первого из сигналов (фиг.4-9в или г) и кончался после окончания переходных процессов в заднем фронте второго сигнала.

Если первым заканчивается сигнал с гистерэзисного порогового элемента 2 (фиг.4,6,9ж), формирователь 38 импульсов вырабатьшает импульс по заднему фронту сигнала (фиг.4,6|9л), этот импульс проходит через логичес- кие элементы, но только в случае, если предварительно поступил ичпульс на пятый вход блока 8 выделения интервала времени, переведя в единичное состояние триггеры 43 и 45, ко- торые запирают логические элементы И 50 и 51. Одновременно импульс с выхода формирователя 39 поступает с четвертого выхода второго блока 8 вьщеления интервала времени на пятый вход первого блока 7 выделения интервала времени. В случае, когда сигнал с первого формирователя 3 (фиг.бв) кончается раньше, чем начинается сигнал с выхода второго формирователя 6 (фиг.бг), единичное состояние первого триггера 43 (фиг.4,6,9о) и нулевое второго триггера 44 (фиг.4,) говорят о наличии положительного фазового сдвига между задними фронтами сигналов. Временной интервал заканчивается при поступлении импульса с формирователя 38.

В случае, если первым проходит импульс с формирователя 40, работа происходит аналогично указанному, но в единичное состояние переводят ся триггеры 44 и 45, что свидетель.

0 5 0

5 0 5 0 5 л

5

ствует об отрицательном фазовом сдвиге между задними фронтами. Сигнал с третьего выхода первого блока 7 вьщеления интервала времени (фиг.7л) начинается с момента поступления импульса с выхода формирователя 40 (фиг.7т) и оканчивается по переднему фронт/ сигнала с второго порогового элемента 2 (фиг.7ж). Окончание временного интервала с второго выхода второго блока 8 вьщеления интервала времени заканчивается по окончании сигнала с выхода первого порогового элемента j (фиг.5,7,8д,п). Сигналы с первого и второго выходов второго блока 8 вьщеления интервала времени поступают соответственно на четвертый и пятый входы блока 9 управления. С третьего выхода второго блока 8 вьщеления временного интервала выдается импульс (фиг.4-9р), свидетельствующий об окончании обоих временных интервалов.

Блок 9 управления обеспечивает управление реверсивным счетчиком на суммирование и вычитание в зависимости от знака временных интервалов. По первому и второму выходам блок 9 управления при наличии единичного сигнала открьшает ключи 10 и II в зависимости от того, производится суммирование или вычитание. Ключ IО блок 9 управления открьшает при наличии Сигнала на первом или четвертом его входах (фиг.4-9у), ключ 11 - при наличии сигнала на втором или пятом входах (фиг.4-9ф). С третьего выхода блок 9 управления формирует сигнал на первом входе элемента И 16, соответствующий длительности временного интервала между передними фронтами с учетом двойных переходов через нуль входного сигнала (фиг.4-9х), который в дальнейшем заполняется импульсами высокостабильной частоты с генератора 19. С четвертого выхода блок 9 управления формирует сигнал, соответствующий временному интервалу между задними фронтами (фиг.4-9ц). Обозначая входные сигналы блока 9 управления в соответствии с номерами входов а, ,а2,...,а7, а выходные сигналы через Ь, Ь, bj, b, имеют связи между выходами и входами:

Ь.

а| + аз. + af-;

914

bj - (аз+а)(,);

b « (,)+а.а7 ().

В случае, представленном на фиг.6 и 7, сигналы Ь (фиг,6 и 7х) и Ь(фиг.6 и 7ц) перекрываются, поэтому элементы ИЛИ 15 обеспечивает од- йовременное прохожде1гае импульсов с выходов элементов И 16 и 17. Чтобы фшульсы стабильной частоты не нак- 1|адьшались один н а другой и счетчик Цог складывать импульсы с выходов Элементов И 16 и 17, генератор 19 Е|ыдает импульсы стабильной частоты do скважностью, большей трех, а элемент 18 задержки осуществляет задержку импульсов на величину, большую длительности импульса с выхода генератора.

В интервалы времени, соответствующие сигналам Ъ и Ь, реверсивный Очетчик подсчитывает импульсы такто- йой частоты, по окончании временного интервала между задними фронтами им- Пульс третьего выхода второго блока 8 вьделения временного интервала {фиг.4-9р) поступает на управляющий вход регистра 13, и содержимое счетчика 2 переписывается в регистр 13.

Через время, достаточное для записи, импульс через элемент 14 задержки поступает на управляющий вход реверсивного счетчика и устанавливает его в нулевое состояние. На этом из- Мерение заканчивается, цифровой фазо- Метр готов для следующего цикла измерений .

В регистр 13 периодически записывается, число, пропорциональное сдви- ГУ фаз t

В случае присутствия в сигнале гармонической составляющей помехи a,isin (.t+ti;) сигналы имеют

вид

и (t)A,sinu5t+C +a sin Oit+Ч ,);

U2(t) ()+C2 +a sinUt- - pj,).

Длительность интервала времени 0 между передними Т и задними t. фронтами составляет

т. дТ + дТ,;

-t,, ,

где дТ,л - погрешности фиксации 55

начала интервала; лТ) 2 - погрешности фиксации конца временного интервала .

78

10

0

5

5 0

5 о

5

5

0

5

Определяют моменты появления временного интервала по первому достижению суммарным сигналом установочного уровня. При этом считают, что в области возмож19 к срабатьюаний формирователя крутизна полезного сигнала постоянна и составляет величину К. Для начала первого интервала можно записать

+ а sin (ftt+ Kj Uy, . где К, A coswt. ,

Обозначая t t + (где t - время фиксации без учета помехи; Т - погрешность за счет помехи)

-- , X лТ , у лТ + % , имеют ал.

уравнение для определения величины погрешности за счет помехи

sin (х +Ч ). - -Л , где Я - случайная величина, изменяющаяся от О до 27. Аналогично уравнение и для фиксации конца первого интервала по второму сигналу, уравнения для фиксации начала и конца второго интервала отличаются только знаком.

Таким образом, предлагаемый фазометр позволяет устранить сбой за счет двойных переходов через нуль входных .сигналов, т.е. повысить помехоустойчивость фазометра и точность измерения.

Формула изобретения

Цифровой фазометр, содержащий первый и второй формирователи, первый и второй ключи, генератор, реверсивный счетчик, блок з равления и блок вьще- ления интервала времени, первый и вто- рой выходы которого соединены с первым и BTOpf iM входами управления, первый и второй выходы которого соединены с первыми входами первого и второго ключей соответственно, выходы которых соединены соответственно с входами сложения и вычитания реверсивного счетчика, входы первого и второго формирователей соединены с первой и второй входными шинами соответственно, а выходы - соответственно с третьим и четвертым входами блока управления, отличающийся тем, что, с целью повышения помехо- устойчивости, в него введены второй блок выделения интервала времени, первый - четвертый гистерезисные по111

роговые элементы, первый и второй элементы задержки, регистр, первьй и второй элементы И и элемент ИЛИ, причем первый блок выделения интервала времени содержит с первого по четвертый формирователи импульсов, с третьего по восьмой элементы И, второй, третий и четвертый элементы ИЛИ первый - четвертый триггеры, при этом входы первого и второго гистере зисных пороговых элементов соединены с входом первого формирователя, а входы третьего и четвертого гистере- зисных пороговых элементов соединены с входом второго формирователя, выходы с первого по четвертый Гистерезис ных пороговых элементов соединены соответственно с входами первого, третего, второго и четвертого формирова- телей импульсов и с первого по четветый входами второго блока выделения интервала времени, выходы первого и второго формирователей импульсов через третий и четвертый элементы И со ответственно и второй элемент ИЛИ соединены с S-входом первого триггера, выход которого соединен с вторыми вхдами третьего и четвертого Элементов И, выходы третьего и четвертого фор- мйрова телей импульсов через пятый и шестой элементы И соответственно и третий элемент ИЛИ соединены с R-BXO дами первого - четвертого триггеров, S-вход второго триггера соединен с выходом третьего элемента И, а S-вход третьего триггера соединен с выходом четвертого элемента И, при этом выход-второго триггера соединен с первым выходом первого блока выделения

интервала BpeNteHH, с вторым входом шестого .элемента И и первым входом седьмого элемента И, второй вход которого соединен с первым выходом второго блока выделения интервала времени, второй выход которого соединен с первым входом восьмого элемента И, второй вход которого соединен с вторым входом пятого элемента И, выходом третьего триггера и вторым выходом первого блока выделения интервала времени, пятый вход блока управления соединен с выходом четвертого триггера, S-вход которого через четвертый элемент ИЛИ соединен с вьтхо- дами седьмого и восьмого элементов И, а выходы первого и второго формирователей импульсов соединены с пятым и шестым входами второго блока выделения интервала времени, третий и четвертый выходы которого соединены с шестым и седьмым входами управления, а пятый - с управляюшим входом регистра и входом первого эле- мента задержки, выход которого соединен с управляющим входом реверсивного счетчика, выходы которого соединены с входами регистра, при этом вторые входы первого и второго ключей соединены с выходом первого элемента ИЛИ, входы которого соединены с выходами первого и второго элементов И, при этом первьш вход первого элемента И непосредственно, а второго через второй элемент задержки соединены с выходом генератора, а вторые входы элементов И соединены соответственно с третьим и четвертым выходами блока управления.

ив.г

Фиг.З

VCP.Z. omn.t uyem.i

- omn.i

Фаг.

Фиг. 5

Pus.6

fas. 7

---

:ЛГ

UW- Vc,.i-

.г

aJJamnJ,

.гггдайтда.;. zzTzn L //... f

W/77/7,/

-jTTizirr

OT/T.fP:,

ucm.i

pp.3 pzrz

emn.3

J 6 г

;r|

/ I

Vc,.i-

дайтда.;. L //... f

W/77/7,/

JUUl

JlJ-in

jQC

Ж

Л

Ж

Ш

ir

Л

-1

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Цифровой фазометр содержит формирова-г тели 3 и 6, ключи 10 и 11, генератор 19, реверсивный счетчик 12,блок 9 управления и блок 7 выделения интервала времени. В фазометр введены блок 8 выделения интервала времени, гистерезисные пороговые элементы 1, 2, 4 и 5, элементы 14 и 18 задержки, регистр 13, элементы И 16 и 17, и элемент ИЛИ 15. Блок 7 выделения интервала времени включает формирователи 20-23 импульсов, элементы И 24, 28, 30, 32, 33 и 36, элементы ИЛИ 26, 31 и 34 и триггеры 25 27, 29 и 35. Использование фазометра позволяет устранить сбои за счет двойных переходов через нуль входных сигналов, т.е. повысить помехоустойчивость и точность измерения. 9 ил. i (Л

J

l

Фаг. 8

Редактор И.Горная

Составитель М.Катанова

,Техред Л.Олийнык Корректор М.Демчик

Заказ 4427/46

Тираж 772

ВНИИПИ Государ ственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

С л

U

жш

jJiniL

J

JinnL

шпп

К

(.,

Подписное