Преобразователь разности фаз в напряжение Советский патент 1989 года по МПК G01R25/00 

Ј J

о

4ь

О

со

Изобретение относится к радиоизмерительной технике, в сочетании с вольтметром может быть использовано в качестве фазометра, а в сочетании с самописцем, аналого-цифровым преобразователем - в системах автоматической обработки информации. Цель изобретения - повышение действия преобразователя при преобразовании разности фаз в диапазоне, превышающем 360 °, достигается в результате введения в известный преобразователь дополнительно одного инвертора. Кроме того, преобразователь содержит усилители-ограничители 1 и 2, формирователь 3 импульсов, формирователь 4 импульсов, формирователь 6 импульсов, триггеры 7 и 8, релаксатор 9, преобразователи 10 и 11 скважность-напряжение, интегратор 5 и дополнительно введенный инвертор 12. Преобразователь работает в диапазоне частот 10-50 МГц и обеспечивает при этом скорость изменения разности фаз до 360° за 100 мкс снижения точности преобразования. 3 ил.

14)

1147

Изобретение относится к радиоизмерительной технике, является дополнительным к авт. св. К 1337811, в сочетании с вольтметром может быть использовано в качестве фазометра, а в сочетании с самописцем и аналого-цифровым преобразователем - в системах автоматической обработки информации.

Цель изобретения - повышение быстродействия преобразователя при преобразовании разности фаз в диапазоне, превышающем 360°.

На фиг.1 изображена функциональная схема предлагаемого преобразователя; на фиг.2 и 3 - диаграммы напряжений, поясняющие его работу.

Преобразователь содержит усилители-ограничители 1 и 2, формирователь 3 импульсов, формирователь 4 импульсов, интегратор 5, формирователь 6 импульсов, триггеры 7 и 8, релаксатор 9, преобразователи 10 и 11 скважность - напряжение и инвертор 12.

Входами преобразователя являются входы усилителей-ограничителей 1 и 2, выходами соединенных соответственно с входами первого формирователя 3 импульсов, второго формирователя 4 импульсов и третьего формирователя 6 импульсов, последний выходом через последовательно соединенные интегратор 5 и релаксатор 9 соединен с вторым входом первого формирователя 3 импульсов и с третьим входом преобразователя 10 скважность - напряже ние, первый формирователь 3 импульсов первым выходом соединен с первым входом триггера 7, а вторым выходом - с первым входом триггера 8, второй формирователь 4 импульсов первым выходом соединен с вторым входом триггера 7 , а вторым выходом - с вторым {входом триггера 8, выходы триггеров соединены соответственно с соединенными параллельно первыми и соединенными параллельно вторыми входами первого 10 и второго 11 преобразователей скважность - напряжение, третий вход преобразователя 11 скважность - напряжение через инвертор 12 соединен с выходом релаксатора 9, а выходы преобразователей 10 и 11 скважность - напряжение являются выходами преобразователя.

Преобразователь работает следую-

щим образом.

Входные сигналы U, и U (фиг.2а,б) усиливаются и ограничиваются усили

,-

20

,«

255055

,

30

35

телямн-ограничителями 1 и 2. Выходное напряжение усилителя-ограничителя 1 (фиг.2в), фронты которого соответствуют переходам через нуль входного сигнала U (фиг.2а), поступает на вход формирователя 3 импульсов, выходные импульсы которого (фиг.2д,е) соответствуют фронтам выходного напряжения усилителя-ограничителя. При измерении разностей фаз, удаленных от 0 и 360°, импульсы, показанные на фиг.2д,, поступают на шину О , а импульсы, показанные на фиг.2д, - на

J5 шину 5 . Выходное напряжение усилителя-ограничителя 2 (фиг.2г) поступает на вход формирователя 4 импульсов. Выходные импульсы этого формирователя (фиг.2ж,з) соответствуют переходам через нуль сигнала Uj. (фиг.26). Импульсы, показанные на фиг.2лг, поступают на шину 6, импульсы, показанные на фиг.2г, - на шину В . Триггеры 7 и 8, на которые поступают импульсы по шинам а и 6, 6 и Ј соответственно, формируют импульсы, длительность которых равна временному интервалу между переходами через нуль в направлении сигналов U и U2 длительностью ut, tg - t,, и и Ц t4 - ts , (фиг.2и,к). Выходные сигналы с триггеров поступают на входы преобразователя 10 скважность-напряжение, который вырабатывает напряжение, пропорциональное (At + ut))/2T, т.е. обратно пропорциональное усредненной скважности импульсных последовательностей с выходов триггеров (здесь Т - период сигналов И и U).

С выходов усилителей-ограничителей 1 и 2 сигналы (фиг.2в,г) поступают также на вход формирователя 6 импульсов, реализующего операцию нет-И (возможный вариант выполнения этой операции: один из сигналов,

45 показанных на фиг.2в,г, инвертируется и вместе с другим сигналом поступает -на схему И). На выходе формирователя 6 импульсов вырабатывается последовательность импульсов, длительность которых равна временному интервалу, в течение которого положительное напряжение сигнала U4 совпадает с отрицательным напряжением U, либо положительное напряжение Ug - с от- рицательным напряжением U. Импульсные последовательности с выхода формирователя 6 импульсов (длительность импульсов в этих последовательностях равна flt( или -поступают на вход

40

интегратора 5. Усилители-ограничители 1 и 2, формирователь 6 импульсов и интегратор 5 образуют фаэометричес- кий преобразователь разность фаз - напряжение, реализующий принцип работы фазометров с перекрытием. Зависимость выходного напряжения интегратора от разности фаз между Uf и UQ показана на фиг.За. По уровням U1 и и срабатывает релаксатор 9, вход которого соединен с выходом интегратора. Выходное напряжение релаксатора, зависимость которого от разности фаз между U и Uj показана на фиг.36, поступает на управляющий вход формирователя 3 импульсов и преобразователей 10 и 11 скважность - напряжение. При напряжениях на входе релаксатора, меньших U1, на его выходе устанавливается высокий логический уровень напряжения, а при напряжениях, больших U1 , релаксатор возвращается в состояние с низким логическим уровнем выходного напряжения. Если сигналы зашумлены, то изломы на фиг.За отсутствуют (зависимость выходного напряжения интегратора от разности фаз между U 4 и U показан пунктиром). Это мертвые зоны преобразователя с перекрытием. Поскольку релаксатор переключается напряжениями, удаленными от мертвых зон, существование последних не сказывается на работе преобразователя.

При разностях фаз между U и LTU вблизи 0 и 360° (интервал Ч - Ч на фиг.З) выходное напряжение релаксатора 9 управляет формирователем 3 импульсов таким образом, что последовательность импульсов, показанная на фиг.2д, поступает на шину 6, а последовательность импульсов, показанная на фиг.2е, - па шину О . Это может быть реализовано, например, перекрестной коммутацией сформированных по нуль-переходам импульсов с помощью двухпозицнонного переключателя (как в прототипе) либо формированием импульсов при высоком логическом уровне напряжения на выходе релаксатора из напряжения, противофазному на фиг.2в.

При этом на выходах триггеров 7 и 8 длительности импульсов равны Ц- -t| и Ц-t),. Во время действия на управляющем входе формирователя 3 импульсов высокого топического уровня выходного напря-м-ния релаксатора 9

5

0

5

0

5

0

5

0

5

импульсы с триггеров 7 и 8 получают приращения по длительности, соответствующие заштрихованным участкам на фиг.2и и фиг.2к. Сумма этих участков по длительности равна периоду сигнала. Так как выходное напряжение преобразователя скважность - напряжение пропорционально отношению полусуммы длительностей импульсов на выходе триггеров 7 и 8 к периоду сигнала, то вносимый при высоком логическом уровне выходного напряжения релаксатора фазовый сдвиг равен 180° (т.е. как в прототипе).

Выходное напряжение с релаксатора (фиг.Зб) поступает также на третий вход преобразователя 10 скважность - напряжение и суммируется в нем таким образом, что при высоком логическом уровне этого напряжения выходное напряжение преобразователя 10 изменяется на величину, соответствующую 180°, т.е. компенсируется дополнительный фазовый сдвиг 180°. В результате зависимость напряжения на выходе преобразователя 10 от разности фаз имеет вид, показанный на фиг.Зв. Если бы компенсирующее напряжение с выхода релаксатора 9 не подавалось на вход преобразователя 10, то выходное напряжение преобразователя имело бы вид, показанный на фиг.Зг.

При быстрых изменениях разности фаз напряжение на выходе преобразователя 10 на интервалах Ч7, - Ч1 и - имеет вид, показанный на фиг.Зв пунктиром. В этом интервале фазовых сдвигов преобразование разности фаз в напряжение выполняется с большой погрешностью и отсчет устройства, включенного после преобразователя, будет ошибочным. Для устранения указанной погрешности преобразования выходное напряжение релаксатора 9 через инвертор 12 (фиг.Зд) поступает на вход преобразователя I1 скважность-напряжение. Выходное напряжение преобразователя 11 показано на фиг.Зе. При быстрых изменениях разности фаз это напряжение в интервале , также не соответствует разности фаз входных сигналов преобразователя.

Однако если снимать отсчеты на интервалах - М и Ч со второго выхода преобразователя, а на интервале ЧЧ с первого ыыхол;., го на интервалах Ч1, - и -Ц1 по первому

выходу и на интервале tfu- if по второму выходу отсчеты не производятся и погрешность отсчетов на этих интервалах соответственно отсутствует.

Для того, чтобы отсчеты разности фаз по обоим выходным напряжениям преобразователя были идентичными, следует при установке нулч подать- на оба его входа один и тот же сигнал, на первом выходе установить напряжение, соответствующее нулевому фазовому сдвигу, на втором выходе - напряжение, соответствующее 360 , так как

360° соответствует фазовому сдвигу, равному нулю. При такой установке нуля преобразователя напряжения на первом и втором его выходах либо совпадают (интервалы - , и ), либо отличаются на величину, соответ- ствующую 360° (интервалы Ц - и Ч1/}) t что видно на фиг.Зе, где штрих- пунктирной линией воспроизведено напряжение, показанное на фиг.Зв. Если из отсчета, превышающего 360° в от- счетном устройстве, исключить 360Ч, (например, сбросом или переполнением счетчика по достижении величины 3606) то отсчет разности фаз по обоим выходам соответствует преобразуемой (измеряемой) величине. Интервалы г- и задаются выходным напряжением релаксатора, которое мои

г

д е ж

з и к

U

5

Q 5

0

жет быть использовано также для отсчета пройденных 360 -циклов.

Предлагаемый преобразователь в диапазоне частот 10-50 МГц допускает скорость изменения разности фаз до 360° за 100 мкс без понижения точности преобразования С вызванного конечной длительностью перепадов выходного напряжения после прохождения разностей фаз У4 и j и и ). В сочетании с 9-разрядным АЦП такой преобразователь образует фазометр с временем измерения около 0,5 мкс, что позволяет использовать его в быстродействующих информационно-измерительных системах.

Формула изобретения

Преобразователь разности фаз в напряжение по авт. св. № 1337811, о т- личающийся тем, что, с целью повышения быстродействия при преобразовании разности фаз в диапазоне, превышающем 360°, он дополнен инвертором, вход которого соединен с выходом релаксатора, а выход - с входом второго преобразователя скважность - напряжение, два других входа которого соединены с выходами триггеров, а выход является вторым выходом преобразователя.

F

L

-

ШГЛ

J Y Фие.2

а .

Фиг.З