Способ определения мгновенных значений фазового сдвига электрических сигналов Советский патент 1990 года по МПК G01R25/00 

Изобретение относится к информационно-измерительной технике, в частности к фазометрии диапазона низких и инфранизких частот, и может быть использовано по прямому назначению при измерении не только мгновен

ных значений фазового сдвига электрических сигналов, но и мощности, косинуса угла потерь и т.д., а также при реализации фазовых методов измерения свойств вецесть и материалов .

Целью изобретения является повышение точности измерения.

На фиг Л представлены диаграммы, поясняющие способ; на фиг.2 - структурная схема устройства, реализующего способ; на фиг.З формирователь временных интервалов; на фиг. - блок определения квадрата; на фиг.5 - дешифратор.

Устройство содержит формирователь 1 временных интервалов, первый - четвертый элементы И 2 - 5, первый генератор 6 импульсов частоты квантования fKei второй генератор 7 импульсов частоты квантования fKe3, первый - пятый счетчики 8-12 импульсов, мультиплексор 13 задатчик 1 числа N0,90, задатчик 15 числа N02 (f 2-f.,) f,, арифметический блок 16, отсчетно-регистрирующий блок 17 и блок 18 автоматического определения номера квадранта и знака измеряемого фазового сдвига.

Первый выход формирователя 1 вре-i менных интервалов через элемент И 2 и счетчик 8 соединен с первыми входами мультиплексора 13, вторые входы которого через счетчик 9 и элемент И 3 соединены с вторым выходом формирователя 1.

Третий выход формирователя 1 через элементы И k и счетчик 10 соединен с третьими входами мультиплексора 13, четвертые входы которого через счетчик 11 и элемент И 5 соединены с четвертыми выходами формирователя 1. Пятые и шестые входы мультиплексора 13 соединены с выходами соответственно задатчиков 1 и 15- числа, а седьмые входы через счетчик 12 соединены с шестым выходом формирователя 1, пятый выход которого соединен с установочными входами счетчиков 8 - 12. Вторые входы элементов И 2 - k соединены с выходом первого генератора 6, а второй вход элемента , И 5 соединен с выходом второго генератора 7. С седьмого по девятый выходы формирователя 1 соединены с входами блока 18 определения номера

квадранта, четвертый вход которого

f соединен с клеммой опорного сигнала,

а выход - с управляющим входом формирователя 1.

Выходы мультиплексора 13 через арифметический блок 16, вторые входы которого соединены с выходами счетчика 12, соединены с входами отсчет5

0

но-регистрирующего блока 17. При этом формирователь временных интервалов 1 содержит (фиг.З) формирователь 19 опорных уровней, первый 20 и второй 21 управляемые делители напряжения, шесть компараторов 22 - 27, нуль-орган 28, четыре двухвходо- вых элемента ИЛИ-НЕ 29 - 32, один

трехвходовой элемент ИЛИ-НЕ 33 и один шестивходовой элемент ИЛИ-НЕ 3, три одновибратора 35 - 37, усилитель 38 мощности, четыре счетных триггера 39 - 2 и измеритель 3 от5 ношения амплитуд.

Первый вход формирователя 1 временных интервалов соединен с первыми входами измерителя 43 отношения амплитуд, первого - пятого ксмпаратоQ ров 22 - 26. Второй вход формирователя 1 временных интервалов соединен с вторым входом измерителя 3 отношения амплитуд; первыми входами третьего 2k и шестого 27 компараторов.

5 I

Вторые входы первого 22 и второго 23 компараторов соединены с первым и вторым выходами формирователя 19 опорных уровней, к второму выходу

0 которого подключен и сигнальный вход первого управляемого делителя 20 напряжения. Вторые входы четвертого 25 и пятого 26 компараторов соединены с третьим и четвертым выходами формирователя 19 опорных уровней, к четвертому выходу которого подключен и сигнальный вход второго управ- |ляемого делителя 21 напряжения. Управляющие входы делителей 20 и 21 на0 пряжения объединены и подключены к выходу измерителя ЦЗ отношения амплитуд.

Выходы компараторов 22 - 26 подключены к первым входам соответст.с венно элементов ИЛИ-НЕ 29 - 32, чьи выходы соединены со счетными входами триггеров 39 - 2, выходы которых являются первыми четырьмя выходами формирователя 1 временных интервалов.

Вход установки нуля триггеров 39 - 2 соединен с пятым выходом формирователя 1 временных интервалов и подключен к выходу усилителя 38 мощности, чей вход через первый одновиб- ратор 35 соединен с седьмым выходом

формирователя 1 и подключен к выходу нуль-органа 28. вход которого соединен с первым входом формирователя 1 временных интервалов.

Второй вход элемента ИЛИ-НЕ 29 соединен с входом элемента ИЛИ-НЕ 34 и подключен к выходу четвертого компаратора 25. Второй вход элемента ИЛИ-НЕ 30 соединен с вторым входом элемента ИЛИ-НЕ 33, с входом элемента ИЛИ-НЕ 34 и с выходом пятого компаратора 26.

Второй вход элемента ИЛИ-НЕ 31 соединен с входом элемента ИЛИ-НЕ 3, восьмым выходом формирователя 1, подключен к выходу компаратора 27.

Второй вход элемента ИЛИ-НЕ 32 соединен с третьим входом элемента ИЛИ-НЕ 33 и подключен к выходу компаратора 23. При этом один из входов элемента ИЛИ-НЕ 34 соединен чере второй одновибратор 36 с выходом элемента ИЛИ-НЕ 33. Выход элемента ИЛИ- НЕ 3 через третий одновибратор 37 соединен с шестым выходом формирователя временных интервалов. Вход элемента ИЛИ-НЕ 34 является третьим входом формирователя 1 временных интервалов 3.

Блок 18 автоматического определения номера квадранта и знака измеряемого фазового сдвига состоит (фиг.4) из узла определения знака мгновенного значения сдвинутого по фазе сигнала (блоки 44 - 57), узла определения знака производной сдвинутого по фазе сигнала (блоки 58 - &7), узла предустановки характера цепи (блоки 68 и 69), дешифратора 70 признаков и индикаторов квадрантов и знака измеряемого фазового сдвига (индикаторы 71 76).

В блоке 18 автоматического определения номера квадранта и знака измеряемого фазового сдвига вход ключа 44 соединен с одним из входов нуль-органа 61 и является четвертым входом блока . Цепь управления ключа через одновибратор 51 подключена к первому входу блока 18, с которым соединены вход установки единицы триггера 54 и вход инвертора 58.

Выход ключа 44 подключен к входу интегратора 45, управляющий вход которого соединен с входом установки нуля триггера 54 и подключен через одновибратор 52 к выходу логического элемента 53.

Выход интегратора 45 подключен к объединенным первым входам первого 46 и ВТОРОГО 47 компараторов, вторые

10

5593086

входы которых соединены соответственно с первым и вторым выходами источника 48 опорного напряжения.

Выходы компараторов 46 и 47 подключены соответственно к первым входам первого 49 и второго 50 элементов И-НЕ. вторые входы которых объедине-, ны и соединены с выходом первого триггера 54. Выходы первого 49 и второго 50 элементов И-НЕ подключены соответственно к входам установки единицы и нуля второго триггера 55 и через инверторы 56 и 57 к входам элемента ИЛИ-НЕ 53.

Второй вход нуль-органа 61 подключен к земляной шине, выход соединен с входом установки единицы триггера 66, чей вход установки нуля подключен через одновибратор 62 к выходу элемента ИЛИ-НЕ 63. Выход триггера 66 соединен с первыми входами элементов И-НЕ 64 и 65, вторые входы которых являются соответственно вторым и третьим входами блока 18. Выходы элементов И-НЕ 64 и 65 соединены соответственно с входами установки единицы и нуля триггера 67 и через инверторы 59 и 60 с входами элемента ИЛИ-НЕ 63.

Выходы задатчика 69 состояний подключены к установочным входам триггера 68.

Прямые и инверсные выходы триггеров 55, 67 и 68 подключены соответственно к первому - шестому входам дешифратора 70, первые шесть выходов которого через индикаторы 71 - 76

15

20

25

30

35

соединены с клеммой питания +Vfl, a

седьмой выход дешифратора 70 является выходом блока 18. Седьмой вход дешифратора 70 подключен к третьему входу блока 18.

Первые входы дешифратора 70

(фиг.5) соединены с первыми входами элементов И 77 - 80, вторые входы подключены к первым входам элементов И 81 - 84, третий вход дешифратора 70 соединен с вторыми входами элементов

И 77,Ь2,75 и 84,четвертый вход соединен с вторыми входами элементов И 78,81 80 и 83, пятый вход соединен с входами элементов И 77, 78, 81 и 82, а шестой вход дешифратора 70 соединен

с входами элементов И 79, 80, 83 и

84,

Выходы элементов И 77 и 78. 81 и 82 подключены к входам элемента ИЛИ- НЕ 85, а элементов И 79 и 80, 83 и

- к входам элемента ИЛИ-НЕ 86. Выходы элементов ИЛИ-НЕ 85 и 86 являются выходами дешифратора 70.

Первые входы И элемента 4И-ИЛИ-НЕ 87 объединены и являются входом дешифратора 70. Вторые входы И элемента Ж-ИЛИ-НЕ 87 подключены к выходам элементов И 82. 81, 79 и 80, а выход соединен с входом одновибратора 88, чей выход является выходом дешифратора 70.

Первые и вторые входы элементов ИЛИ-НЕ 89 - 92 подключены соответстiвенно к выходам элементов И 77, 78, 81, 82 и 79, 80, 83, 8Ь. Выходы элементов ИЛИ-НЕ 89 - 92 являются соответственно первым - четвертым выходами дешифратора 70.

Сущность предложенного изобретения поясняется эпюрами напряжений, приведенными на фиг.1, и заключается в следующем. Допустим, что необходимо измерить мгновенное значение фазового сдвига сигналов.

электрических

sinfl(t) U1(t)«Umasin(()

(1)

(2)

ъ и,

с разными амплитудами U mi и mlf

Согласно предлагаемому способу вначале формируют опорные уровни

+иогми -иопо -Uвп,, равные по величине и противоположные по знакам, т.е. |Ufln, l-U0fM I , |Uflnl | |-U Oft4l. Значения этих опор35

Определяют знак + или - мгно венных значений сдвинутого по фазе сигнала U4(t) в момент времени td перехода через нуль опорного сигна Ц, (t) в положительном направлении. Знак мгновенного значения, сдвинут го по фазе сигнала, может быть опр делен, например, путем подачи на на копительный конденсатор (или интег ратор) в течение короткого промежу ка времени dt t1-t0 сигнала U2(t), с последующим сравнением полученно го напряжения с положительным и от цательным опорными уравнениями, бл кими к нулевому, т.е. +Uоп и-й()оп. Превышение полученного напряжения уровня +dUon характеризует положительный знак мгновенного значения сигнала U(t), а превышение (по мо

g П 1«и t

ных уровней устанавливают из условия, 40 Дулю УРОВНЯ -диоп - отрицательный

знак.

Затем определяют знак производной сдвинутого по фазе сигнала U(t

например, повышения помехозащищенности процесса измерения при отношении сигнал/шум больше трех; Причем lUoe, 7 Пм и tUon 4 UW, где ишдействующее значение напряжения шума. д5 нуль опорного сигнала U1(t) или в При этом значения опорных уровней выбирают различными, т.е. Uonf 3: Uen7. Если априори действующего значения шума ии неизвестно и измерить

в момент времени t перехода через

момент времени t. перехода через нуль сдвинутого по фазе сигнала Знак производной обычно определя по моментам времени перехода CHI-

его невозможно или электрические сиг- налом U(t) опорных уровней +Uдп и

налы U,(t) и U2(t) не являются аддитивной смесью сигнала и шума, то значения опорных уровней ±Ue0t и tU4ol устанавливают, например, с учетом наличия нелинейных искажений, смещающих момент времени перехода j через нуль первой (основной) гармоники исследуемых сигналов. Если шумы и нелинейные искажения отсутствуют,

55

-Uflr,3. Если, по истечении момента времени t3, сигнал U,j(t) переходит опорный уровень +ивпз, знак производ ной положительный, а если -и„„,, то

ОнЭ

отрицательный.

Согласно способу характеризуют знаки + и - признаками 1м и О (.соответственно.Индуктивный и емкост ный характеры исследуемой цепи (чеОП1

5

0

5

0

5

то значения опорных уровней +U +U0(I выбирают произвольными или, например, с учетом температурной стабильности и дрейфа выходного сигнала компараторов или других используемых устройств сравнения.

Затем измеряют отношение амплитуд o(Umi /иго-г исследуемых сигналов в течение, например, интервала времени 4t t4-t0.

Пб полученному значению амплитуд исследуемых сигналов устанавливают значения опорных уровней Utfrt3 e/U0/T2 и иопз т/иОП2, в Л раз превышающие значения опорных уровней . При этом знаки опорных уровней в каждый полупериод опорного сигнала устанавливают соответствующими знакам сравниваемых сигналов (1) и (2).

Определяют знак + или - мгновенных значений сдвинутого по фазе сигнала U4(t) в момент времени td перехода через нуль опорного сигнала Ц, (t) в положительном направлении. Знак мгновенного значения, сдвинутого по фазе сигнала, может быть определен, например, путем подачи на накопительный конденсатор (или интегратор) в течение короткого промежутка времени dt t1-t0 сигнала U2(t), с последующим сравнением полученного напряжения с положительным и отрицательным опорными уравнениями, близкими к нулевому, т.е. +Uоп и-й()оп. Превышение полученного напряжения уровня +dUon характеризует положительный знак мгновенного значения сигнала U(t), а превышение (по

знак.

Затем определяют знак производной сдвинутого по фазе сигнала U(t)

нуль опорного сигнала U1(t) или в

в момент времени t перехода через

нуль опорного сигнала U1(t) или в

момент времени t. перехода через нуль сдвинутого по фазе сигнала ), Знак производной обычно определяют по моментам времени перехода CHI-

налом U(t) опорных уровней +Uдп и

-Uflr,3. Если, по истечении момента времени t3, сигнал U,j(t) переходит опорный уровень +ивпз, знак производной положительный, а если -и„„,, то

ОнЭ

отрицательный.

Согласно способу характеризуют знаки + и - признаками 1м и О (.соответственно.Индуктивный и емкостный характеры исследуемой цепи (че91

тырехполюсника) также характеризуют признаками 1 и О соответственно.

О номере квадранта, в котором находится измеряемый фазовый сдвиг, судят по кодам признаков: 111(110) - 1-й квадрант; 101(100) - 11-й квадрант; 001(000) - 111-й квадрант и 011(010) - IV-й квадрант.

Условия определения номера квадранта приведены в таблице, где старший разряд кода признака характеризует знак мгновенного значения сдвинутого по фазе сигнала, второй разряд - знак производной, а младший разряд характеризует известный или определяемый априори индуктивный (емкостной) характер цепи или знак измеряемого фазового сдвига: 1 - Kf, 0м - -цН.

Одновременно по моментам времени перехода исследуемых сигналов через опорные уровни ±U0fM , ±Uon2 и +Uon3 формируют временные интервалы 0,5Т; 0,5T-dtx и 0,51-Mt.

Временной интервал, равный полупериоду , выделяют по моментам времени перехода опорного или сдвинутого по фазе сигнала через нулевой или опорные уровни +Uon1 и -Uon1, равные по значению и противоположные по знаку. Допустим, что указанный временной интервал выделяют по моментам времени t, и t6 перехода опорного сигнала (1) через опорные уровни +и0щ и -U on г- I

В этом случае момент времени t1, ограничивающий сверху временной интервал длительностью 0,5Т, определяется из равенства

Umi sinftt U Откуда

(3)

1. Uom

S1n----.

(4)

Момент времени t, ограничивающий снизу временной интервал длительностью 0,5Т, определяется из равенства

5930810

Выделенный временной интервал длительностью 0,5Т с. учетом выражений (0 и (6) определяется из равенства

э ,l5T-t1 0,5T. ()

Временные интервалы 0,5Т-йЈж и 0,5Т+дил выделяют по моментам време 0 ни t и t7, t и t3 перехода исследуемых сигналов (1) и (2) в противоположных направлениях через опорные уровни +Uon} и -UMt, +иопг и соответственно. При этом временной

)5 интервал

zlt,j t7-t4 0, 3t3 t9-t2 0,.

(8) (9)

Измеряют значения временных интервалов (7)г (8) и (9) при частоте квантования Ј1 . В результате с учетом погрешностей измерения, получают

25

N, 0,51(1+2,)+,-f, ;(10)

N1(0,)d+y) + ; (11)

N3 (0,5T+4tx)(1 + y)+/J33 f,. (12) где 0,5Tyf,, (0,5T-atx) yf7 и (0,5Т+

Ч.-.

) rf1 - мультипликативные составляющие погрешностей измерения полупериода и временных интервалов 0,5Т- -4t и 0,5T+dtx; d,f ,(Лв,+ Дкй ) f ; f, Utf,+ JKe4)f1 иЛ3Ј,7(/1в9+ +Акй )ff - аддитивные составляющие погрешностей выделения и измерения

полупериода и временных интервалов 0,51+ и 0,5T-4tx; Дкв„ Йк81и /3 кй - погрешности квантования временных интервалов; /5 а «- аддитивная составляющая погрешности выделения

временных интервалов 0,5Т, 0,5T-/ltx и 0,5T+/sty.

Одновременно с временными интервалами (7), (8) и (9) выделяют дополнительный временной интервал,- равный

полупериоду исследуемых сигналов

(flt t-j-t O.ST.

(13)

Изобретение относится к информационно-измерительной технике. Цель - повышение точности измерения. По предлагаемому способу выделяют временной интервал, равный полупериоду по моментам перехода опорного сигнала через опорные уровни +U_оп и -U_оп @ , равные по значению и противоположные на знаку, формируют опорные уровни +U_оп @ и -U_оп @ , +U_оп @ и -U_оп @ , выделяют временные интервалы 0,5T-ΔТХ, 0,5T+ΔТХ по моментам перехода исследуемых сигналов в противоположных направлениях через опорные уровни U_оп @ и -U_оп @ , U_оп @ и -U_оп @ , измеряют значения N₂ и N₃ временных интервалов 0,5T-ΔТХ и 0,5Т+Δтх и значение N₁ полупериода при частоте квантования F₁. Одновременно выделяют дополнительный временной интервал, равный полупериоду исследуемых сигналов при значениях опорных уровней +U_оп @ и -U_оп @ , измеряют значение N₄ дополнительного временного интервала при значении частоты квантования F₂≠F₁, а о мгновенном значении фазового сдвига электрических сигналов судят по выражению N₁=F₁-F₂/F₁ N₃-N₂/N₄-N₁. Значения опорных уровней +U_оп @ и -U_оп @ , +U_оп @ и -U_оп @ формируют равными по значению и противоположными по знаку, измеряют значения амплитуд исследуемых сигналов и устанавливают значения опорных уровней ±U_оп @ в α раз меньшими, чем значения опорных уровней ±U_оп @ .При этом знаки опорных уровней в каждый полупериод устанавливают соответствующими знакам сравниваемых сигналов с последующим формированием признаков квадранта. Поставленная цель достигается за счет компенсации аддитивных и мультипликативных составляющих погрешности и уменьшения амплитудно-фазовых погрешностей. 2 з.п.ф-лы. 1 табл. 5 ил.

-Umi sinnt,-UorM. Из (5) получаем, что

(5)

sin lUti+0,5T. Ыu tni

Причем временной интервал atf вы- 55 дёляют при значениях опорных уровней

(6)

+Uoni и -иОП1

Затем измеряют значение дополнительного интервала времени ut -tf11

,5Т при значении частоты кванто1559308

вания ,,

В результате с учетом погрешности измерения получают

N4«CO,5T(i+y; + 4l4J.f2,,(14;

Ј2(4«3+/)кВ ; fj ТЕ,

- аддитивная и мультипликативная составляющие погрешности измерения временного интервала

н ,9o ЈsiЈi- SAI&UH

VX У° Ј, N4-N, N

01

м Ц&хЗТ+Л Ш1У-) ) О+J) +Л 2 К, ntO.STO + jO + Hj- 0,5T(Hr) +

on° fnЈi. l2flti±Iair l/iiiJi LЈi

при 010

N при

0,5T(f«-f1)-(fl4f7-4tff)/

кодах признаков 111, 101 и 000, или по выражению

e9(f Ј«lЈL 5Л1Й1 +180°(16)

fi

N4-Nf

кодах признаков 110, 100 и 001, 011, причем знак результата измерения определяют по состоянию младшего разряда кодов признаков: +С/Јпри 1 и О, где N,, Nt, N и ц4 результаты измерений временных интервалов N02(f -fi;/f1.

Определяем значения разностей 4N«-(, MdN4i 4fi-4iЈi

ЛЫп(Л3-л ) f,

-d«62 f,

4k63-4«8 f,

«g+

(17;

/

ЛЫ,

i4i-44f r4tff« Ч,3+ЛК(И)-Uo,f /W, d,(fa-f, )-/ «в4Ј2- -dKftlf,.(18)

Из выражения (17) видно, что аддитивная составляющая погрешности выделения временных интервалов 4ta и dtj автоматииески исключается. Разность / кв|-/1кв л заявляется величиной второго порядка малости, которой можно пренебречь, особенно при малых значениях 4tK, а следовательно, и фазового сдвига сигналов, так как в этом случае д„4всл,.в- поскольку

КоЗ Кот

Q,$T-Qtx 0,5i+utK.

Что касается величины ДЙ41 (18), то соответствующим выбором частот квантования можно обеспечить равенет12

k84

(fr

5

Л ,,„„ погрешность квантования временного интервала ut4 ; аддитивная составляющая погрешности выделения временного интервала at4.

.

О мгновенном значении базового сдвига электрических сигналов судят по выражению с учетом погрешностей результатов промежуточных измерений

(15)

5

0

5

0

5

0

5

ва

и г

и л,

f 1

К61 1 КВ4

В этом случае достигается равенство нулю аддитивной составляющей погрешности измерения 4N4t , т.е. 0. Тогда выражение (16) принимает вид

и 90° itllL

f, 0,5T(f7-Ј.,)

(19)

nrio2dt)f ,, 90 s-r.(T&-j

0,5T

Из выражения (Т9) видно, что пред лагаемый способ измерения обеспечивает исключение как аддитивных, так и мультипликативных составляющих noi- решности измерения. Кроме того, как видно из выражений, моменты времени Ц, t4 t7 и tg, ограничивающие выделяемые временные интервалы, не зависят от неравенства амплитуд исследуемых сигналов.

В результате обеспечивается также исключение и амплитудно-фазовой погрешности измерения, характерной для известного способа. Диапазон измерения расширен до +ЗбО°. Кроме того, автоматически определяется номер квадранта и знак измеряемого фазового сдвига.

Устройство работает следующим образом.

Электрические сигналы (1) и (2), фазовый сдвиг которых подлежит измерению, подаются на первый и второй входы формирователя 1 временных интервалов.

Последний обеспечивает не только формирование временных интервалов (7), (8), (9) и (13), но и формирование импульса сброса триггеров 39 - 2 и счетчиков 8-12 импупь13

сов в нуль. Кроме того, в формирователе 1 временных интервалов формируются счетные импульсы, которые устанавливают последовательность ввода в арифметический блок 16 выходных кодов чисел, записанных в счетчиках 8 - 11 ив задатчиках 1 и 15.

В моменты времени перехода в положительном направлении опорного электрического, сигнала (1) через нуль с помощью нуль-органа 28 формируются короткие импульсы. Эти импульсы нормируются по длительности с помощью первого одновибратора 35, а затем усиливаются с помощью усилителя 38 мощности.

Выходные импульсы усилителя 38 мощности используются для автоматической установки в нуль триггеров 39 - 42 и счетчиков 8-12 импульсов перед началом процесса измерения т.е. в начале каждого периода опорного сигнала (1). С помощью формирователя 19 опорных уровней на его первом, втором, третьем и четвертом выходах устанавливают требуемые значения опорных уровней +U0m , +uoni uoni и -uoni« Полученные сигналы поступают на вторые входы компараторов 22, 23, 25 и 26 соответственно. Кроме того, опорные уровни +и0пги -Ueni с второго и четвертого выходов формирователя 19 поступают на сигнальные входы первого 20 и второго 21 делителей напряжения На управляющие входы делителей 20 и 21 напряжения поступает выходной сигнал (или измерителя 43 отношения амплитуд исследуемых сигналов (1) и (2), где К и S коэффициенты пропорциональности; о/ Umi/Umi - отношение амплитуд. В результате на входы третьего 2k и шестого 27 компараторов с выходов делителей 20 и 21 напряжения поступают соответственно опорные уровни (при )

опз от

At6NJent/e ;(20)

-Uon3 -uor,,r,i/ 2 U

в о( раз меньшие, чем опорные уровни

и .

На первые входы компараторов 22, 23, 25 и 26 поступает электрический сигнал (1), а компараторов 2k и 27 - электрический сигнал (2). В момент

, . 559308

14

10

5

20

30

35

40

времени t0 (фиг.1) начала измерения на выходе усилителя 38 мощности формируется импульс, устанавливающий триггеры 39 - 42, а также счетчи- ки 8, 9, Ю и 12 импульсов в исходное состояние, т.е. в нуль. В моменты времени tf, tt, t, t6 и t7 (фиг.1) на выходах компараторов 22 - 26 соответственно появляются импульсы сравнения. Эти импульсы объединяются с помощью элементов ИЛИ-НЕ 29 32 таким образом, что при поступле нии их через указанные элементы ИЛИ- НЕ соответственно на счетные входы триггеров 39 - 42 на выходах последних формируются временные интервалы (7), (8), (9) и (13).

Рассмотрим теперь работу блока 18 автоматизированного определения номера квадранта и знака измеряемого фазового сдвига.

Сдвинутый по фазе сигнал поступает на вход ключа 44 (фиг.А)

25 В момент времени t Q перехода через нуль опорного сигнала U(t) (фиг.1) с выхода нуль-органа 28 формирователя 1 временных интервалов поступает короткий импульс, соответствующий логическому нулю, на вход одновибратора 51 блока 18. Одновременно этот импульс поступает на вход инвертора 58 и на вход установки единицы триггера 5k, переводя его в состояние логической единицы на выходе.

С помощью одновибратора 51 формируется импульс заданной длительности -0, , достаточной для заряда емкости интегратора 45. подключенного к выходу ключа 44. Выходной сигнал интегратора 45 поступает на первые объединенные входы компараторов 46 и 47. На второй вход компаратора 46 поступает опорный уровень +AU с

45 первого выхода источника 48 опорного напряжения, а на второй вход компаратора 47 поступает опорный уровень -4U с второго выхода источника 48.

5о При положительном мгновенном значении сдвинутого по фазе сигнала срабатывает компаратор 46, а при отрицательном - компаратор 47. В первом (втором) случае выходной импульс

с компаратора 46 проходит через элемент 49 (50) 11-НЕ на вход установки единицы (нуля) триггера 55, переводя его в состояние логической единицы (нуля) на его прямом выходе.

15

Одновременно выходной импульс элементов 49 ($0) поступает через инвертор 56 (57) и элемент 33 ИЛИ-НЕ на вход одновибратора 52. Последний формирует импульс, соответствующий логическому нулю и длительности г, достаточной для разряда емкости интегратора 45. Выходной импульс одно- вибратора 52 переводит триггер 5 в нуль, тем самым запрещая прохождение выходных импульсов компараторов 46 и 47, и управляет работой интегратора 45.

Состояние выходов триггера 55 характеризует знак мгновенного значения сдвинутого по фазе сигнала. Выходные сигналы триггера 55 поступают на первый и второй входы дешифратора 70.

С помощью блока 18 определяют и знак производной сдвинутого по фазе сигнала, соответствующий моменту времени t3, который определяют с помощь нуль-органа 61. Выходной импульс нуль-органа 61 устанавливает триггер 66 в единицу. В результате на первых входах элементов 64 и 65 И-НЕ появится потенциал, разрешающий прохождение через элементы 6k и 65 выходных импульсов компараторов 24 и 2 Эти импульсы соответствуют моменту времени ц. Они устанавливают триггера 67 з состояние логической единицы на его прямом выходе при положительном знаке производной и в состояние логической единице на его инверсном выходе при отрицательном знаке производной (фиг.Чб). Это достигается подачей импульсов на входы установки единицы или нуля триггера 67. В блоке 18 задание индуктивного или емкостного характера исследуемой цели осуществляется с помощью

15

Для формирования сигнала, соответствующего увеличению на BQe результата измерения, в дешифратор вве«- Зо ден элемент И-ИЛИ-НЕ 87. Входы элементов И блока элементов 87 подключены соответственно к выходам элементов И 81, 82, 79 и 80, а первые объединенные входы - к седьмому входу дешифратора 70, соединенному с выходом компаратора 27 формировате- ,ля 1„ При кодах 001, 011, 110 и 100 выходной импульс компаратора 27 пос- тупает через элемент 87 на вход од- 40 новибратора 88. Последний формирует счетный импульс, который через седьмой выход дешифратора 70, третий вход и шестой выход формирователя 1 временных интервалов (через шестой вход

задатчика 69 состояния. При иидуктив- элемента 34 и одновибратор 37) постуном характере цепи триггер 66 устанавливается в единицу на его прямом выходе, а при емкостном характере - в единицу на его инверсном выходе.

С помощью дешифратора 70 по состояниям выходов триггеров 55s 67 и 68 формируются коды признаков (см. таблицу).

Работа дешифратора 70 (фиг.5) состоит в следующем. С помощью логических элементов И 77 - 84 коды признаков объединяются. В результате сигнал логической единицы появляется на выходе логического элепает на счетный вход счетчика 12 импульсов. Полученный выходной код счетчика 12 импульсов и является командой об увеличении результата 50

измерения на 18о

После выделения временных интервалов (7), (8), (9) и (13) с выходов триггеров 39 - 42 формирователя 1 че- .j рез первый - четвертый выходы формирователя 1 временных интервалов на первые входы элементов И 2 - 5 соответственно поступают прямоугольные импульсы, соответствующие логической

16

0

5

0

мента И: 77 при коде 111; 78 - при коде 101; 81 - при коде 001, 82 - при коде 011, 79 - при коде 110, 80 - при коде 100, 83 - при коде 000, 84 - при коде 010.

С помощью элементов ИЛИ-НЕ 89 - 92 объединяются выходные сигналы элементов И 77, 79, 78, 80, 81, 83, 82 и 84 поскольку они соответствуют квадрантам I, II, III и IV.

Выходы элементов ИЛИ-НЕ 89 - 92 являются соответственно первым - четвертым выходами дешифратора 70 и характеризуют номер квадранта измеряемого фазового сдвига.

Выходы элементов И 77 - 78, 81 - 82 и 79 - 80, 83 - 84 объединяются с помощью элементов ИЛИ-НЕ 85 и 86 соответственно. Выходные сигналы элементов 85 и 86, соответствующие логическому нулю, являются пятым и шестым выходами дешифратора и характеризуют соответственно положительный и отрицательный знак измеряемого фазового сдвига.

Для формирования сигнала, соответствующего увеличению на BQe результата измерения, в дешифратор вве«- о ден элемент И-ИЛИ-НЕ 87. Входы элементов И блока элементов 87 подключены соответственно к выходам элементов И 81, 82, 79 и 80, а первые объединенные входы - к седьмому входу дешифратора 70, соединенному с выходом компаратора 27 формировате- ,ля 1„ При кодах 001, 011, 110 и 100 выходной импульс компаратора 27 пос- тупает через элемент 87 на вход од- 0 новибратора 88. Последний формирует счетный импульс, который через седьмой выход дешифратора 70, третий вход и шестой выход формирователя 1 временных интервалов (через шестой вход

5

5

элемента 34 и одновибратор 37) поступает на счетный вход счетчика 12 импульсов. Полученный выходной код счетчика 12 импульсов и является командой об увеличении результата

измерения на 18о

После выделения временных интервалов (7), (8), (9) и (13) с выходов триггеров 39 - 42 формирователя 1 че- рез первый - четвертый выходы формирователя 1 временных интервалов на первые входы элементов И 2 - 5 соответственно поступают прямоугольные импульсы, соответствующие логической

17

единице, длительностью, определяемой выражениями (7). (8), (9) и (13).

На вторые входы элементов И 2 - 5 выходов генераторов 6 и 7 поступают прямоугольные импульсы с частотами следования f K8, (для элементов 2 - U) и fKB2 (для элемента 5). В результате на счетчики 8-10 импуль сов поступают соответственно Nf (}Q) N3 (11) и N3 (12) импульсов, а на счетчик 11 импульсов - N4 (Ц) импульсов. Коды чисел N1 - N ф .с выходов счетчиков 8-11 импульсов, а также коды чисел Н01и Мог с выходов задатчиков 1 и 15 чисел поступают через мультиплексор 13 в определенной последовательности на вход

арифметического блока 16. I

Управление работой мультиплексора

13 и арифметического блока 16 осуществляется выходным кодом счетчика 12 импульсов. Последний устанавливается путем подачи на счетчик 12 через элемент 3 и одновибратор 37 с выходов компараторов 2b - 27 непосредственно, а с выходов компараторов 22, 23 и 26 - через элемент ИЛИ-НЕ 33 и второй одновибратор 36. Для осуществления команды Увеличение результата измерения на 180° на шестой вход элемента ИЛИ-НЕ 3k, соединенного с третьим входом формирователя 1 временных интервалов, с выхода блока 18 автоматического определения номера квадранта и знака измеряемого фазового сдвига поступает дополнительный импульс, характеризующий указанную команду.

С помощью арифметического блока 16 осуществляется вычисление мгновенного значения фазового сдвига электрических сигналов (1) и (2) согласно выражениям (15) или (16). Результат вычисления-индицируется отсчет- но-регистрирующим блоком 17.

В отличие от известных способов измерения, предлагаемый способ повышает точность измерения за счет исключения аддитивной и мультипликативной составляющих погрешности измерения, а также за счет реализации нового алгоритма обработки результатов промежуточных измерений, способствующего достижению положительного эф-

фекта. I.

Выделение и формирование именно

временных интервалов длительностью

5930810

),5Т-дг.х и 0,5T+dt обеспечивает исключение аддитивной составляющей погрешности, измерения удвоенного 5 (2utx) значения временного сдвига сигналов. При этом время измерения не превышает периода опорного сигнала.

Исключение аддитивной составляю- Ю щей погрешности измерения полупериода осуществляется за счет выделения не одного, а двух временных интервалов длительностью 0,5Т и измерение их при двух различных частотах 15 квантования fKf}l и ,.

Исключение мультипликативной составляющей погрешности измерения фазового сдвига достигается за счет реализации операции деления и введения коэффициента пропорциональности ог° (f j-f2J /f т учитывающего тот факт, что различные временные интервалы измеряются при разных частотах квантования, и приводящего к соответствию масштабов результатов измерений временных интервалов, состоящих в числителе и знаменателе выражения (15). Кроме того, существенный вклад в

повышение точности измерения мгновенного значения фазового сдвига электрических сигналов (1) и (2) вносит формирование опорных уровней ±иот ±ио«7и ±иопэ находящихся в

определенных соотношениях между собой. Повышение точности измерения достигается также за счет исключения погрешности от неравенства амплитуд исследуемых сигналов путем предварительного измерения не амплитуд этих сигналов, как в известных способах, а путем измерения отношения d. амплитуд исследуемых сигналов и использования полученного результата

при формировании опорных уровней

Uon -Uorrj -U

on 1

/«С.

л Выполнение условий выбора значений опорных уровней ±Uoni и ±иопг обеспечивает повышение точности измерения фазового сдвига за счет уменьшения влияния помех шумов на результат измерения при наличии последних в исследуемых сигналах, т.е. обеспе- чивается повышение помехозащищенности устройства, реализующего предлагаемый способ измерения.

ормула и

19 з о б р

1559308

е т е н и я

с 10

qn°fi:Ll Nj-Nj

N

Vr

90

f

N4-N,

при кодах признаков 111, 101 и 000, 010 или

90

,°liili SjcSs

N4-N,

+ 180

при кодах признаков 110, 100, 001,

011,

где N, - результат измерения временного интервала 0,5Т при частоте квантования ft;

20

N - результат измерения временного интервала 0, при частоте квантования Ј1; N, - результат измерения временного интервала 0, при частоте квантования ff- ; N - результат измерения временного интервала 0,5Т при час- тоте квантования f2,

причем знак результата измерения определяют по состоянию младшего разряда кодов признаков: +с/ при П1 и - при О.

5 2. Способ поп.1,отличаю- щ и и с я тем, что значения опорных уровней +Uon, и -иОП1 , +Uonz и -Uoni устанавливают из условия Uoni(7

U,

ш

U

ont

I 7 ш где и ш - действующ

щее значение напряжения шума, а затем измеряют отношение амплитуд d исследуемых сигналов и устанавливают значения опор5

0

5

ных уровней +U меньшими, чем ней U и -U

Ол 3

и -U

Опэ

в d раз

значения опорных уров- ова Joni при этом знаки опорных уровней в каждый полупериод опорного сигнала устанавливают соответствующими знакам сравниваемых сигналов.

кода признака, при знаке

соот

ветственно 0, затем определяют знак производной сдвинутого по фазе сигнала в момент времени перехода через нуль опорного или сдвинутого по фазе сигналов и формируют 1 во втором разряде кода признака при знаке производной 0 и 0 в случае знака производной 0, при индуктивном характере цепи в третьем разряде кода признака формируют 1, а при емкостном - 0.

/л ;.

нл

Ш йЧ-Н

1

m

,ot 001 011

i

a

i

i;

at

Составитель М.Катанова Редактор Н„Лазаренко Техред л. Сердюков аКорректор Т. Малец

Заказ 836

Тираж

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

1 10

too OOP gn

23

SI

гя t

3 ® Щ

w

it

15

f

Подписное