Цифровой одноканальный инфранизкочастотный фазометр Советский патент 1989 года по МПК G01R25/00 

1

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при создании цифровой фазо- метрической аппаратуры в диапазоне ±90 градусов.

Цель изобретения - повышение точности измерений.

На фиг, 1 приведена функциональная схема устройства,- на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие прицип его работы.

Фазометр содержит аналоговый коммутатор 1, блок 2 управления, сдвигающий регистр 3, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 4, регистры 5-8, элемент ИЛИ 9, селекторы-мультплексоры 10, 11, анализатор 12 знак блоки 13, 14 деления, вычислитель 1 арктангенса, сумматор 16, блок 17 регистрации.

Каждый из двух сигнальных входов аналогового коммутатора 1 объединен соответственно с первым и вторым входами блока 2 управления и соединен с соответствующими входными клеммами устройства. Первый выход блока 2 управления подключен к упраляющему входу АЦП 4, сигнальный вхо которого соединен с выходом аналогового коммутатора 1. Информационный выход АЦП 4 подключен к объединенны между собой одноименными входами регистрам 5-8, а управляющий выход соединен с входом сдвигающего регисра 3. Четыре выхода сдвигающего регистра 3 подключены к входам разрешения записи соответственно регистров 5-8, третий и четвертый выходы сдвигающего регистра 3 соединены с входами элемента ИЛИ 9, выход которго соединен с третьим входом блока управления. Информационные выходы регистров 5,6 и 7,8 подключены к дв

входам соответственно селекторов- мультиплексоров 10 и 11, управляющие входы которых объединены с управляющим входом аналогового коммутатора

1и соединены с вторым выходом блока

2управления. Выходы селекторов-мультиплексоров 10, 11 подключены к входам анализатора 12 знака и блока 13 деления, причем на анализатор 12 знака заведены знаковые разряды, а на блок 13 деления - непосредственно коды чисел. Выход блока 13 деления через вычислитель 15 арктангенса соединен с входом сумматора 16. Управляющий записью вход сумматора 16

0

5

0

5

0

подключен к третьему выходу блока 2 управления, а выход через блок 14 деления соединен с входом блока 17 регистрации. Знаковые разряды блока 17 регистрации подключены непосредственно к выходу анализатора 12 знака.

В состав блока 2 управления входят счетный триггер 18 и RS-тригге- ры 19, 20, нуль-органы 21, 22, временные дискриминаторы 23, 24 максимумов, элементы ИЛИ 25, 26, элементы И 27, 28, формирователь 29 импульсов, элементы 30, 31 задержки, счетчик 32, кнопка 33 Пуск.

Для проведения статистического усреднения результатов измерений с передней панели прибора в блок 14 деления и счетчик 32 вводится код, N, которьй для блока 14 деления является делителем, а для счетчика 32 - коэффициентом пересчета.

Первый и второй входы блока 2 управления соответственно через нуль-орган 21, временной дискриминатор 23 максимумов и нуль-орган 22, временной дискриминатор 24 максимумов подключены к входам элемента ИЛИ 25. Выход нуль-органа 22 соединен с третьим входом элемента ИЛИ 25, а выход нуль-органа 21 подключен к первому входу элемента И 27. Второй вход элемента И 27 соединен с 5 выходом RS-триггера 20, а выход подключен к первому входу элемента ИЛИ 26 и S-входу RS-триггера 19. R-вход триггера 19 соединен с R-входом RS- триггера 20 и выходом счетчика 32, а выход подключен к входу элемента И 28. Другой вход элемента И 28 соединен с выходом элемента ИЛИ 25, а выход подключен к второму входу элемента ИЛИ 26. Выход элемента ИЛИ 26 соединен с первым выходом блока 2 управления и через счетный триггер 18 соединен с вторым выходом блока 2 управления, третий вход которого подключен к входу элемента 30 задержки. Выход элемента 30 задержки соединен с входом счетчика 32 и третьим выходом блока 2 управления. Кнопка 33 Пуск через формирователь 29 и элемент 31 задержки подключена к S-входу RS- триггера 20.

Фазометр работает следующим образом.

Перед проведением измерений на передней панели устанавливается число

0

5

0

5

N проводимых измерений, которое определяет коэффициент усреднения в блок 14 деления и количество циклов в счетчике 32.

При нажатии кнопки 33 Пуск в блоке 2 управления импульсом Сброс с выхода формирователя 29 импульсов прибор приводится в исходное состояние. При этом сдвигающий регистр 3, сумматор 16, счетчик 32 обнуляются, а триггеры 18-20 переводятся в исходное состояние.

Пусть на входы фазометра подаются синусоидальные напряжения

U7 (t) U1m- sina t, U2(c) U1|nsin (tot +qO; где Ц. , UZm - амплитуды сигналов} ц - фазовый сдвиг между

ними.

На выходах нуль-органов 21, 22 формируются короткие импульсы в моменты переходов напряжений U7(t), U(t) через нулевые значения, а на выходах временных дискриминаторов 23, 24 максимумов - в моменты перехода напряжений через максимальные значения. Однако эти импульсы через элементы И 27, 28 не проходят, так как они закрыты нулевыми потенциала- ми триггеров 20, 19.

На фиг. 2 показаны временные моменты появления указанных импульсов, они обозначены t.,, t2, ..., tg. Причем для определённости принято, что напряжение U1(t) опережает напряжени U(t), но отметим, что для работы устройства это не имеет значения.

Такое состояние прибора от момента нажатия кнопки 33 Пуск сохра- няется до появления управляющего воздействия на выходе элемента 31 задержки, время задержки на котором выбирается достаточным для приведения фазометра в исходное состояние.

С появлением импульса на выходе элемента 31 задержки триггер 20 переключается в единичное состояние и открывает элемент И 27. Первый же , импульс с выхода нуль-органа 21 в моменты времени t, или t 5 (для определенности за начало отсчета примем момент времени t.,) проходит через элемент И 27 на S-вход триггера 19 и через элемент ИЛИ 26 на управляющий вход АЦП 4 и счетный вход триггера 18. АЦП 4 запускается и преобразует мгновенное значение напряжения иг(г) момент времени г., 0, обозначим его

Q

5

0

5 0

0

в пропорциональный цифро5

0

5

U7(t) Ulr, вой код V.21 -Ujmsin. В момент окончания преобразования на управляющем выходе АЦП 4 формируется импульс, поступающий в сдвигающий регистр 3, и на его управляющем выходе, соединенном с входом разрешения записи регистра 5, появляется сигнал, разрешающий запись. Код мгновенного значения U21 с информационных выходов АЦП 4 записывается в регистр 5. По спаду сигнала с элемента ИЛИ 26 триггер 18 опрокидывается в единичное состояние и переключает аналоговый коммутатор 1 и селекторы-мультиплексоры 10, 11. При этом через аналоговый коммутатор 1 на сигнальный вход АЦП 4 подается напряжение U,(t), а на выходы селекторов-мультиплексоров 10, 11 поступает информация с регистров 5 и 7, которая сохраняется на этих выходах до следующего переключения счетного триггера 18,

В этом такте на выходах анализатора 12 знака, блока 13 деления и вычислителя 15 арктангенса образуется ложная информация, но так как импульс записи кода результата в сумматор 16 от блока 2 управления отсутствует, то эта информация в приборе теряется,

Очередным импульсом, переключающим триггер 18 и запускающим АЦП 4 на преобразование, будет импульс с выхода нуль-органа 22, который пройдет по цепи: элемент ИЛИ 25, элемент И 28, элемент ИЛИ 26. С поступлением этого импульса АЦП 4 преобразует мгновенное значение напряжения Uf(t) в момент времени с г - if /co(-u) t г if), обозначим его U/t. Url, в пропорциональный цифровой код Uf2 Ulm-sinif. Импульс Конец преобразования с управляющего выхода АЦП 4 поступает на сдвигающий регистр 3, и на его втором выходе появляется сигнал разрешения записи в регистр 6, в который записывается код U. Триггер 18, ас ним аналоговый коммутатор 1 и селекторы-мультиплексоры 10, 11 возвращаются в исходное состояние, при котором на сигнальный вход АЦП 4 снова подается напряжение U2(t), а на выходы селекторов-мультиплексоров 10, 11 поступает информация с регистров 6 и 8. Результат вычислений в этом так- те, как и в предыдущем, является ложным, так как в регистре 8 отсутствует код второго числа, поэтому он тож теряется.

В дальнейшем на запуск АЦП 4 и на триггер 18 поочередно поступают импульсы с временного дискриминатора 23 максимумов (u)t3 ), временного дискриминатора 24 максимумов (ыс f- и4/2 + if)/ нуль-органа 21 (wty if ) , нуль-органа 22 (wtg ff+ i/) и снова с временных дискриминаторов 23, 24 максимумов 7 3/2 V, out Ј - 3/2 + Ч1). Каждым из этих импульсов производится запуск АЦП 4, переключение аналогового коммутатора 1 и селекторов-мультиплексоров 10, 11 с помощью триггеров 18. На выходе АЦП 4 образуются коды мгновенных значений напряжений U2(t) и ) в указанных точках отсчета, которые записываются в соответствующие регистры памяти. Значения кодов и номера регистров памяти, в которых они запоминаются, приведены в таб- лице.

Из таблицы видно, что отсчеты №№ 5-8 записываются в те же регистры памяти, что и первые четыре отсчета. Для этого сдвигающий регистр 3 имеет объем, равный четырем. Поэтому с поступлением 5-го импульса на его вход он принимает состояние, соответствующее записи 1, и сигнал разрешения формируется на первом выходе, т.е. на входе разрешения записи регистра 5. И аналогично для 6-го, 7-го и 8-г отсчетов.

В отличие от первого и второго тактов в третьем и четвертом тактах, соответствующих записи кодов мгновенных значений в регистры 7,8, на выходе элемента ИЛИ 9 образуется управляющий импульс, который поступает затем в блок 2 управления. Прохо- дя через элемент 30 задержки в блоке 2 управления, этот импульс, во-первых, стробирует запись информации в сумматор 16 и,во-вторых, переводит счетчик 32 в следующее состояние. j Для исключения ложных результатов в процессе измерения в фазометре стро бируется запись информации в сумматор 16. При этом запись результата проводится, во-первых, после запоминания кодов делителя в регистрах 7 или 8 (что соответствует моментам времени t3, с4и t7, tg) и, во-вторых, с некоторой задержкой, необходи

мой для выполнения вычислительных операций. Временная задержка на элементе 30 задержки формируется достаточной для передачи данных от регистров 5-8 на входы анализатора 12 знака, блока 13 деления и проведения вычислений в блоке 13 деления, вычислителе 15 арктангенса и сумматоре 16.

Непосредственное вычисление фазового сдвига в устройстве производится следующим образом.

Коды мгновенных значений напряжений U,(с) и U2(t) переносятся в блок 13 деления, в котором проводится их деление соответственно U2)/UZ3; U /U27; ,j. На информационном выходе блока 13 деления образуется код результата

X

- arctgtf,

U2I, U72 4s Vu

где X - делемое, X

Y -.делитель, Y - U23, Un, U.U С выхода блока 13 деления код частного (X/Y) подается на вычислитель 15 арктангенса, в котором определяется значение фазового сдвига if

X

arctg -, которое затем накапливается и запоминается в сумматоре 16.

Каждое вычисление фазового сдвига сопровождается изменением состояния счетчика 32 на единицу. После того, как будет проведено N измерений, на выходе счетчика 32 образуется управляющее воздействие, по которому триггеры 19, 20 опрокидываются в нулевое состояние. При этом элементы И 27, 28 запираются, и фазометр переводится в режим Останов, Суммарный код N измерений фазового jсдвига, который зафиксирован в сумматоре 16, усредняется в блоке 14 деления и индицируется в блоке 17 регистрации. При этом по знаку фазового сдвига последнего результата деления судят о знаке результата измерения. Для этого знаковый разряд с анализатора 12 знака заведен на второй вход блока 17 регистрации. Так, например, при нечетном количестве измерений знак - результата деления говорит о том, что сигнал U-j(t) отстает от сигнала U.,(t), если знак +, то сигнал Ui(t) опережает сигнал U,(t).J

Работа фазометра при однократных измерениях отличается лишь тем, что при первом же вычислении фазового сдвига он переводится в режим Останов, а результат на блоке 17 регистрации поступает через блок 14 деления, коэффициент деления которого равен единице.

Таким образом, в сумматоре 16 получается код модуля измеряемого фазового сдвига (который при необходимости усредняется в блоке 14 деления) и затем индицируется в блоке 17 регистрации, а его знак отсчитывается по знаковому разряду с анализатора 12 знака.

В цифровом одноканальном фазометре операции нормирования, суммирования и вычитания, а также аналогового запоминания мгновенных значений сигналов исключены. Следовательно,

исключены и соответствующие составляющие погрешностей. Кроме того, операции деления подвергаются мгновенные значения одного и того же сигнала, прошедшие через один и тот же измерительный канал, чем в полной мере используются преимущества логометричес кого принципа измерения, а также уст раняются погрешности деления и вычисления арктангенса, так как в цифровой форме они могут быть выполнены с любой, наперед заданной точностью, при этом за счет статистической обработки может быть уменьшена в VlT раз случайная погрешность результата измерения.

Формула изобретения

1. Цифровой одноканальный инфра- низкочастотный фазометр, содержащий аналоговый коммутатор, последовательно соединенные первый блок деления и вычислитель арктангенса, а также сумматор и блок регистрации, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в него введены аналого-цифровой преобразователь, сдвиговый регистр, четыре регистра, два селектора-мультиплексора, анализатор знака, второй блок деления, блок управления и элемент ИЛИ, при этом два входа блока управления соединены с входами аналогового коммутатора, а первый выход подключен к управляющему входу аналого- цифрового преобразователя, сигналь0

о

0

5

ный вход которого соединен с выходом аналогового коммутатора, информационный выход подключен к объединенным между собой одноименным входам четырех регистров, а управляющий выход соединен с входом сдвигового регистра, четыре выхода которого подключены к входам разрешения записи соответствующих регистров, причем третий и четвертый выходы сдвигового регистра соединены с входами элемента ИЛИ, выход которого соединен с третьим входом блока управле- 5 ния, а информационные выходы первого и второго, третьего и четвертого регистров подключены к двум входам соответственно первого и второго селекторов-мультиплексоров, управляющие входы которых объединены с управляющим входом аналогового коммутатора и соединены с вторым выходом блока управления, выходы селекторов- мультиплексоров подключены к попарно объединенным двум входам анализатора знака и первого блока деления, вход сумматора соединен с выходом вычислителя арктангенса, управляющий вход сумматора соединен с третьим выходом блока управления, а выход сумматора через второй блок деления подключен к входу блока регистра- .ции, второй вход которого соединен с выходом анализатора знака.

2. Фазометр по п. 1, отличающийся тем, что блок управления содержит счетный триггер и два RS-триггера, счетчик, формирователь импульсов, два нуль-органа, два временных дискриминатора максимумов, два элемента ИЛИ, два элемента И, два элемента задержки и кнопку Пуск, при этом первый и второй входы блока управления соответственно через последовательно соединенные первый нуль-орган и первый .временной дискриминатор максимумов, второй нуль-орган и второй дискриминатор максимумов подключены к первому и второму входам первого элемента ИЛИ, выход второго нуль-органа соединен с третьим входом первого элемента ИЛИ, выход первого нуль- органа подключен к одному входу первого элемента И, второй вход которого соединен с выходом второго RS- триггера, а выход подключен к первому входу второго элемента ИЛИ входу первого RS-триггера, вход ко5

0

5

0

5

торого соединен с R-входом второго RS-триггера и выходом счетчика, а выход подключен к одному входу вто- рого элемента И, другой вход которого соединен с выходом первого элемента ИЛИ, а выход подключен к второму входу второго элемента ИЛИ, выход которого соединен с первым выходом блока управления и через счетный

триггер - с вторым выходом блока управления, третий вход которого через первый.элемент задержки подключен к входу счетчика и третьему выходу блока управления, а кнопка Пуск через последовательно соединенные формирователь импульсов и второй элемент задержки соединена с Sвходом второго RS-триггера.

Изобретение может быть использовано в фазоизмерителях в диапазоне ± 90°. Цель изобретения - повышение точности. Повышение точности достигается введением в фазометр аналого-цифрового преобразователя 4, сдвигового регистра 3, четырех регистров 5-8, двух селекторов мультиплексоров 10 и 11, анализатора 12 знака, второго блока 14 деления, блока 2 управления и элемента ИЛИ 9, с помощью которых выполняется запоминание дискретных значений сигнала в моменты нулевых и максимальных значений входных сигналов с последующим вычислением значений фазовых сдвигов по полученным значениям с учетом знака. Фазометр содержит также аналоговый коммутатор 1, первый блок 13 деления, вычислитель 15 арктангенса, сумматор 16 и блок 17 регистрации. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1 2 3

О

wti LfUfJ U1(ta) H/ftsin4

Wt3 2

tt/0

#

U2f Uz(t) -U2msinV

(t; UZnFOS

5 6 7