Устройство для измерения сдвига фаз Советский патент 1989 года по МПК G01R25/00 

1

Изобретение относится к средствам для измерения электрических и магнитных величин и может быть использовано для точного измерения разности фаз двух переменных напряжений, в частности для исследования свойств веществ с помощью фазовых измерительных цепей, одним из элементов которых является измерительный датчик емкостного, индуктивного или резистор но го типа, в робототехнике.

Цель изобретения - повьппение точности измерения сдвига фаз путем умножения и переноса умноженных фазовых сдвигов на частоту исслбдуе- мых сигналов.

Окончательный результат измерения представляется в суммы фазовых сдвигов, измеренных в каждом из измерительных каналов, умноженных на соответствующий коэф4)ициент . Расчетная формула имеет вид:

п- N,.

и

(1)

На чертеже приведена структурная схема устройства для измерения сдвига фаз.

Устройство для измерения сдвига фаз содержит первый и m дополнительных измерительных каналов, каждый из которых включает в себя фазометр 1, состояпшй из первого 2 и второго

5

3 формирователей, последовательно соединенных триггера 4, входы которого подключены к выходам формирователей 2 и 3, логического элемента И 5 и счетчика 6, выход которого является выходом фазометра 1, блок 7 фор- мирования результата измерения, входы которого подсоединены к выходу фазометра 1 в каждом канале, генератор 8 пачек квантующих импульсов, состоящий из счетного триггера 9, входом подключенного к выходу третьего

формирователя 10, на вход которого поступает опорный сигнал последовательно соединенных умножителя 11 частоты опорного сигнала в п раз, амплитудного ограничителя 12 и логического элемента И 13, второй вход которого подключен к прямому выходу счетного триггера 9, а выход - к второму входу логического элемента И 5 фазометра 1, умножитель 14 частоты опорного сигнала в п-1 раз, запоминающий блок 15, формирователь 16 импульсов коррекции, вход которого

подключен к инверсному выходу счет- ного триггера 9, а последний выход Q к управляющему-входу блока 7 формирования результата измерений, в каждом дополнительном измерительном канале - последовательно соединенные умножитель 17 частоты в п раз, смеситель

0

5

18, второй вход которого подключен к выходу умножителя 14 частоты опорного сигнала в п-1 раз, и полосовой фильтр 19, выход которого подключен к входу второго формирователя 3 фазометра i и входу умножителя 17 в п раз следующего канала, первый 20 и второй 21 цифровые элементы сравнения, каждый из которых одним входом подключен к выходу фазометра J, а другим - к соответствующему выходу запоминающего блока 15, ив каждом измерительном канале, за исключением последнего, - формирователь 22 сигналов коррекции, содержащий последовательно соединенные триггер 23, один вход которого подключен к выходу четвертого формирователя 24, второй вход через элемент 25 задержки - к выходу пятого формирователя 26, вход которого соединен с выходом полосового фильтра 19, логический элемент И 27, вторым входом подключенный к выходу логического элемента И 13 генератора 8 пачек квантующих импульсов, счетчик 28, третий цифровой элемент 29 сравнения, второй вход которого подключен к выходу фазометра 1, первый логический элемент И 30 и второй логический элемент И 31, одним из входов подключенный к второму выходу третьего цифрового элемента 29 сравнения, вторые входы первого 30 и второго 31 логических элементов подключены к выходу первого 20 и второго 21 элементов сравнения следующего канала,объединенные третьи входы первого 30 и второго 31 логических элементов И подключены к выходу фо1)мирователя 16 импульсов коррекции, а выходы - к управляющим входам регистрирующего счетчика 6 фазометра 1, при этом на вход умножителя 17 частоты в п раз первого дополнительного канала и на -второй вход формирователя 22 сигнало коррекции первого измерительного канала поступает входной измерительный сигнал, а на вход первого формирова теля 2 фазометра 1 и на первый вход формирователя 22 в каждом канале - опорный сигнал.

Фазовый сдвиг Дч между двумя периодическими сигналами, подлежащий измерению, можно представить в виде

&Ч COtj 27 ftq,,

(2)

5806

где

f - частота иccлeдye ыx сигналов;t - временной сдвиг между ниМИо

При использовании в фазометре квантующих импульсов с частотой, в п раз большей частоты сигнала, выражение (1) можно представить в виде:

btf, .

nf

-- N« n °

(3)

где 2

NO - 7/П

0

5

показания фазометра; квант фазы;

ULP - неучтенный фазовый сдвиг, который не превышает кванта фазы.

Затем формируют дополнительный измерительный сигнал, подавая на смеситель сигналы, полученные при умножении частоты измерительного сигнала в п раз, а частоты опорного сигнала - в п-1 раз. В результате получают сигнал, частота которого совпадает с частотой опорного сигнала, но разность фаз между опорным и дополнительным измерительным сигналами оказьшается в п раз большей за счет умножения в п раз частоты измери- 0 тельного сигнала и переноса умноженного фазового сдвига на исходную частоту. Тогда разность фаз между опорным сигналом и дополнительным измерительным сигналом, если не учиты- 35 вать целое число периодов:

27 NO + nuM ,V где скобки } означают вычитание целого числа периодов, что обьмно и 40 происходит при измерении фазометром, причем вычитаемое число целых периодов равно NO, если О Де,:1.2«/п. . ,

Этот фазовый сдвиг регистрирует- ся с помощью счетчика емкостью п второго фазометра. Если показания этого счетчика равны N, , то

45

nbif

nuCf.

F-.

+ utf. . (4)

При умножении частоты первого дополнительного измерительного сигнала предыдущего канала в п раз, а частоты опорного - в п-1 раз, разность фаз между опорным сигналом и

новым измерительным сигналом, не учитывать целые периоды:

, - fг ьм г п

О n/Kfi.-i 2 и .

если

Аналогично, продолжая формировать дополнительные измерительные сигналы т-1 раз, можно получить фазовый сдвиг (т-О-го сигнала относительно опорного с учетом показаний , счетчика соответствующего фазометра

.,lj плМ „, (5)

и т-го дополнительного измерительного сигнала

(6)

- nq

WI-H 5

где йЦ|„.ц- остаточная фаза, неучтенная в фазометре канала т Используя последовательные подстановки и опуская фигурные скобки,

2/ It так как допускается,что и лс, -получают измеряемый сдвиг фаз д.,2 1. V-. .... .

п о Г1 л П П

п

2

f-N-n..

п

1. +

т-,

П

2 „1

« М... 4

п

,,

п

о/

п

т

Л Ni

1 0

-5cf,

(7)

где N( - показания i -го фазометра; п - коэффициент умножения частоты; : i 0,1,2, m - количество дополнительных

измерительных сигналов; ...

а&Ц , погрешность измерения сдвига фаз Г

Так как было принято что значение неучтен ной фазы ЛО, положительно и не превьшает 2 u /n, то максимальная погрепшость в измерении сдвига фаз

Stf,

1 max

, mi-i

(8)

Устройствб работает следующим образом.

Входные опорный 11(,„ и измеритель- ньй сигналы в виде сдвинутых по фазе переменных напряжений поступают на входа формирователей 2 и 3 фазометра 1 в первом измерительном канале, которые формируют короткие импульсы в моменты перехода исследуемых переменных напряжений через нуль. Эти импульсы опрокидывгиот триггер 4, с выхода которого на логический элемент И 5 поступает импульс, длительность которого равна времен

,

25

- гА658066

ному сдвигу между исследуемыми напряжениями. Одновременно опорный сигнал и поступает на входы умножителя 11

с частоты опорного сигнала в п раз и опрокидывает счетньш триггер 9 в единичное состояние, открывая логический элемент И 13о С выхода умножителя переменный сигнал частоты nf (f 10 частота исследуемых напряжений), поступает на вход амплитудного ограничителя 12, который преобразует этот сигнал в импульсы прямоугольной формы той же частоты и вьщает их через

15 открытый элемент И 13 на второй вход логического элемента И 5, через который квантующие импульсы поступают на вход регистрирующего счетчика 6, в котором фиксируется количество им20 пульсов, укладывающихся на временном фазовом интервале между опорным и входным измерительным сигналами.

Кроме того, опорный и измерительный сигналы поступают на входы умножителя 14 частоты в п-1 раз и умножителя частоты в п раз о С умножением частоты измерительного сигнала в п раз происходит и умножение во столько же раз фазового сдвига. Полученные сигналы подаются на смеситель 18,на выходе которого появляется сигнал разностной частоты, который отфильтровывается с помощью полосового фильтра 19о На выходе полосового

35 фильтра 19 получают дополнительный измерительный сигнал, частота которого равна частоте исследуемых напряжений, а сдвиг фаз относительно опорного сигнала - в п раз больше

40 Аналогично измеряется разность фаз полученного и опорного сигналов с помощью фазометра 1 первого дополнительного канала.

I

После формирования первого допол нйтельного измерительного сигнала аналогично формируется второй, третий и т.д. и, наконец, ш-й сигнал Сформирбванньй сигнал поступает на вход умножителя 17 следующего канала, фазовый сдвиг получаемого сигнала относительно опорного в п раз больше фазового сдвига предыдущего сигнала Разность фаз получаемых сигналов относительно опорного в каждом случае измеряется аналогично с помощью фазометра К В счетчике 6 каждого фазометра регистрируется количество импульсов NJ. При этом коли30

50

55

естно импульсов N; в каждом канале е превьшает п.

С приходом второго периода исслеуемого напряжения счетный триггер опрокидывается в нуль, закрывая огический элемент И 13, Устройство ереходит в режим коррекции. Неободимость коррекции полученньк. знаений N объясняется тем, что в случае/когда количество, зарегистрированных импульсов N;, в следующем канале близко к п, то возрастает вероятность того, что количество им- пу,пьсов N; , зарегистрированных в данном канале, либо на единицу меньше, либо на единицу больше истинного значения Для этого осуществляет- ся коррекция полученного значения М. на основе полученного значения N: следующего канала о Для этой це- каждом канале устройства имеется формирователь 22 сигналов коррекции который может изменить содержимое счетчика 6 фазометра 1 в каж- .дом канале на единицу. В последнем канале m такой блок отсутствует. По окончании цикла коррекции на управляющий вход блока 7 формирования результата с последнего выхода формирователя 16 импульсов коррекции пос- тупает импульс, разрешающий считывание :,откорректированных значении N всех счетчиков 6, Блок 7 в соот- в етствии с выражением (О вычисляет конечный результат, С приходом треть его периода опорного сигнала устройство вновь переходит в режим измере ния, с приходом четвертого - в режим коррекции полученного резуль- ,

тата и ТоДо

5

Формирователь 22 сигналов коррекции работает следующим образомформирователи 24 и 26 формируют короткие импульсы при переходе -опорного и соответствующего измерительного сигналов через нуль о Ш- пульс с выхода формирователя 24 опрокидывает триггер 23 в единичное состояние, а задержанный с помощью элемента 25 задержки импульс с выхода формирователя 26 возвращает его в нулевое состояние. В результате длительность - импульса на выходе триггера 23 на время /it, больше длительности импульса ; на выходе триггера 4 соответствующего фазо- етра 1 и составляет . + &t,,. Бремя

10

-

806 00

bt в каждом формирователе 2.2.сигна- .лов коррекции одинаково

К П-К(Q

х Л - ,-. - -- ь У f

5 пЧ Ь- где К - целое число

О i К |-«

(10)

оя

10 В течение + t,, через логический элемент И 27 в счетчик 28 поступает число импульсов, код которого сравнивается в цифровом элементе 29 сравнения с кодом счетчика 6 фазо- 15 метра 1. Если код счетчика 6 меньше кода счетчика 28, то элемент 29 сравнения выдает напряжение уровня 1 на вход элемента И 30, если коды счс-тчиков 6 и 28 равны, то элемент 20 29 выдает уровень 1 на вход элемента И ЗЬ В зависимости от того, какое число N;, квантующих импульсов регистрируется в счетчике 6 следующего канала, соответствующий уровень 25 напряжения приходит на второй вход элементов 30 и 31. Если N;, К, то уровень 1 с выхода элемента- 20 присутствует на втором входе элемента И 30, если N,-, п-К, то уровень 30 1 с выхода элемента 21 имеется на втором входе элемента И 31; если К N п-К, то на вторых входах элементов И 30, 31 присутствует уровень О.

,д Описанные преобразования прсис- - ходят в формирователе 22 сигналов -коррекции в течение измерительного цикла. В течение режима коррекции происходит формирование на .п выходах формирователя 16 корректиру- ющи:. импульсов, которые в определенной последовательности поступают в формирователь 22 в каждом канале«Вначале импульс коррекции подается на , третий вход логических элементов И 30 и 31 формирователя 22 предпослед- . него канала, т.е. канала т-1, затем- канала т-2 и т.д., и наконец, первого измерительного канала. Таким об- п разом, коррекция результата осущест- вляется, начиная с младших разрядов, последовательно приближаясь к старшим. Если на двух других входах элементов И 30 и 31 имеются уровни i , . то импульс коррекции увеличивает или уменьшает на единицу содержимое счетчика 6 фазометра 1 соответствующего канала. Если на одном из входов эле- ментов И 30 и 31 присутствует уровень о, содержимое счетчиков 6 в каждом фазометре I остается неизменным.

Таким образом, не предъявляя существенных требований к разрешающей способности фазометров, которая должна составлять примерно ZlT/n для каждого канала, устройство позволяет достичь значительного увеличения разрешающей способности измерений сдвига фаз по сравнению с известными фазометрами с умножением частоты за счет измерения умноженных фазовых сдвигов все время на частоте измерительного сигнала при использовании сравнительно простой измерительной аппаратуры,

Формулаизобретения

1 о Устройство для измерения сдвига фаз, содержащее клеммы опорного и измерительного сигналов, га умножителей в п раз частоты измерительного сигнала, первый из которых входом соединен с клеммой измерительного сигнала, фазометр, формирователь управляющих импульсов, один из выходов которого соединен с входом Пуск блока формирования результата измерения, о т л ичающееся тем, что, с целью повьшения точности измерения, содержащийся в нем фазометр снабжен четвертым и пятым (корректирующими) входами и в него дополнительно введены умножитель в п-1 раз частоты опорного сигнала, входом соединенный с клеммой опорного сигнала и выходом - с первыми входами m введенных смесителей частоты, вторые входы которых соединены с выходами m умножителей в п раз частоты измерительного сигнала, m полосовых Фильтров, входами соединенных с выходами каждого из m смесителей, ш дополнительных фазометров m формирователей сигналов коррекции, m пар элементов сравнения кодов, за- пoминaющиf. блок, генератор пачек квантующих импульсов, вход которого соединен с клеммой опорного сигнала, с которой соединены также первые входы т+1 фазометров, первые входы m формирователей сигналов коррекции, клемма измерительного сигнала соединена с вторым входом первого фазометра и вторым входом первого формирователя сигнала коррекции, выходы от первого до (m-l)-ro полосо- вьк фильтров соединены соответственно с входами с второго по т-й умно- g жителей в п раз частоты измерительного сигнала, а также соответственно с вторыми входами с второго по т-й фазометров и вторь1ми входами от второго до ш-го формирователей сиг0 налов коррекции, выход т-го полосового фильтра соединен с вторым входом m+1-ro фазометра, первый выход генератора пачек квантующих импульсов соединен с третьими входами m+l

5 фазометров и m формирователей сигналов коррекции, первый и второй выходы которых соединены соответственно с четвёртым и пятым входами от первого до т-го фазометров, выходы

0 которых соединены соответственно с четвертыми входами каждого из m формирователей сигналов коррекции, пятый и шестой входы каждого из которых соединены с выходами каждой со5 ответствующей пары элементов сравнения кодов, первые входы каждой указанной пары соединены с выходом каждого последующего фазометра, а вторые входы каждой пары - соответ0 ственно с первым и вторым выходами запоминающего блока, выходы m+I фазометров соединены соответственно с (т+1)-м входом формирователя результата измерения, второй выход ге5 нератора пачек квантующих импульсов соединен с входом формирователя управляющих импульсов, m выходов которого соединены соответственно с седьмым входом каждого из m формирова-

0 телей сигналов коррекции.

2б Устройство по По1, о т л и - чающееся тем, что генератор пач«с квантующих импульсов содержит последовательно соединенные умножи5 тель в п раз частоты опорного сигнала, усилитель-ограничитель и элемент И, второй вход которого соединен с прямым выходом триггера, вход кото- рого через формирователь импульсов

0 соединен с входом умножителя в п раз частоты опорного сигнала, который является входом упомянутого генератора, выход элемента И является первым выходом, а инверсный выход триг5 гера - вторым выходим упомянутого генератора.

3. Устройство по П.1, о т л и ч а- ю щ е е с я тем, что формирователь

11 1465806

.сигналов коррекции содержи, последо-иен с в-р..;РИГге Р

вательно соединеннь,е формировате р цГсоединен с вторь,м входом перопориого импульса, триггер, первый леме та И. четвертый вход - с

элемент И. счетчик и элемент срав- ..„«OM элемента сравнения конения кодов, выход Меньше которо- «Li вход - с вторым входом

го соединен с первь« «-«-.f;;°Г. И. шестой вход - с

элемента И. а выход, Равно с перР И и

вым входом третьего элемента И. «ход. „д - с третьими входами

формирователя опорного импульса являip третьего элементов И. вы- ется первым входом формирователя сиг- которых являются первым и втоналов коррекции, второй вход которо-м д упомянутого формироваго череэ формирователь измерительно-Р м

го импульса и линию задержки соеди-теля.

Изобретение относится к измери- тел1: ной технике и может быть использовано для контроля свойств веществ с применением фазовых измерительных цепей. Изобретение позволяет повысить точность измерений за счет умножения и переноса умноженных фазовых сдвигов на частоту исследуемых сигналов„ Последовательно формируют m дополнительных измерительных сигналов путем смешивания умноженных в пт1 раз опорного и в п раз измерй