Устройство для измерения разности фаз Советский патент 1991 года по МПК G01R25/00 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано при разработке и создании точных фазоизмерительных устройств.

Целью изобретения является повышение точности измерения при изменении уровня входного сигнала.

На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - эпюры напряжений, поясняющие работу устройства.

Устройство содержит каналы 1 и 2

инвертор 20 к его выходу, а третьим входом - к входу триггера 18, к третьему входу элемента И 1I и прямому выходу триггера 10. Последний инверсным выходом соединен соответственно с входами элементов И 13 и 16. Третьим входом элемент И 16 через инвертор 21 соединен с выходом реверсивного счетчика 12, подключенного выходом к одному из выходов канала 1 И 2 и к одному из входов триггера 22. Выходом триггер 22 связан с вторым выходом каналов 1 и 2, а вто

формированил сигналов, аналоговый фа-15 РЬ|М входом - с выходом реверсивного

зовращатель 3 на 180 , усилители 4 и 5, формирователь 6 сигнала коррекции, блок 7 коррекции, блок 8 синхронизации, триггеры 9 и 10, элемент. И 11, реверсивный счетчик 12, эле- мент И 13, реверсивный счетчик 14, делитель 15 частоты, элементы И 16 и 17, триггер 18, элемент И 19, инверторы 20 и 21, триггер 22, блок 23 измерения, генератор 24 счетных им- пульсов и блок 25 индикации.

Входы каналов 1 и 2 являются входами устройства. Вход канала подклю- чен через аналоговый фазовращатель 3 к входу усилителя 4 и непосредствен- но к входу усилителя 5. Своим выходо усилитель 5 соединен с одним из входов формирователя 6 сигнала коррекции. Вторым входом формирователь 6 сигнала коррекции соединен с выходом усилителя 4, а выходом - с входом блока 7 коррекции, с одним из входов блока 8 синхронизации и с информаци- .онным входом триггера 9. Своим выходом триггер 9 подключен к счетному входу триггера 10, через элемент И 11 - к одному из входов реверсивного счетчика 12, а через элемент И 13 - к аналогичному входу реверсивного счетчика 14. Синхронным входом триггер .9 соединен с одним -из выходов блока 8 синхронизации и через делитель 15 частоты - с вторыми входами элементов И 11 и 13. Кроме этого синхронным входом триггер 9 соединен через элемент И 16 с вторым входом реверсивного счетчика 12 и непосредственно с одним из входов элемента И 17. Вторым входом элемент И 17 соединен с выходом триггера 18, а выходом - с одним из входов элемен- та И 19. Выходом элемент И 19 подключен к второму входу реверсивного счетчика 14, вторым входом - через

U щщ

счетчика 14 и третьим выходом каналов 1 и 2. Первым, вторым или третьим выходами каналы 1 и 2 подключены к информативным входам блока 23 измерения. Последний соединен также с выходом генератора 24 и вторым входом блока 8 синхронизации каналов 1 и 2, а выход блока 23 соединен с входом блока 25 индикации.

Устройство работает следующим образом.

Входной синусоидальный сигнал

длин

щ

(фиг.2б) с большим ослаблением

U щщ

по сравнению с номинальным сигналом I акс (фиг. 2а) поступает на вход канала 1 устройства. Каналы I и 2 идентичны. Далее прямой сигнал ЬТ№|ИИ и сигнал , сдвинутый с помощью аналогового фазовращателя 3 (фиг.2б), обозначенные сплошной и пунктирной линиями соответственно, поступают на входы идентичных усилителей 5 и 4 соответственно. При пересечении сигналами Uwv1(f и ид, порогового уровня у на выходах усилителей 5 и 4 формируются две последовательности прямоугольных импульсов (фиг.2г и д соответственно). При этом большое ослабление U..rtt..flo уровня U

макс

мин

вызы

U щщ

вает неизбежную асимметрию ограничения, т.е. смещение по оси времени моментов перехода черрз нуль сигналов имин и имин на величину Д .Если предположить, что максимальное UMO|KC и минимальное () значения входного сигнала отличаются на величину о , т.е.

U щщ

макс

1 +

41ИН

С| +

2Л 2 А

Ј, (О

е

е.

,Ъ

- период

что С,

2 длительности положи- тепьной и отрицательной полярностей прямоугольных импульсов, сформированных из сигнала (фиг.2а,в),

Т/ $

-1 - (,,

+ С% Т, где

годного синусоидальноUM(J и

U

МОКР

то из

1 Ј

г-

Ј-45с

Таким образом, различие порогов ограничения всего лишь на 1 7, приводит к дополнительной noiрешности,равной С,5°, за счет смещения передних и задних «грантов сформированной последовательности (фиг..г) с переходами через нуль входного сигнал,-- в положительном и отрицательном направлениях на величину Д .

Таким образом, при поступлении на вход устройства ослабленного сигнала UW(IH на выходах усилителей 5 и 4 формируются две последовательности прямоугольных импульсов (фиг.2г и д соответственно). При этом длительности прямоугольных импульсов положительной и отрицательной полярносте обеих последовательностей равны С

О

О, + 2Дие, Ј, + 2А

1

соответст4. венно. Из приведенных соотношений следует, что Ъ - 2 U, Ъг + + 2Д.. Следовательно, для исключения погрешности, вносимой асимметрией ограничения, необходимо, чтобы Ј,

fl

т.е.-J, + 2Л

Ј;- 2Д.

Из

полученного соотношения видно, что для исключения погрешности асимметрии ограничения входного сигнала неоходимо полученную последовательность прямоугольных импульсов (фиг.2г), из которой далее формируются остроконечные импульсы, скорректировать путем увеличения длительности положительного интервала -. на 2 Д и уменьшения длительности отрицательного интервала 1 также на 2 Л с последующим формированием остроконечных импульсов в моменты перехода через нуль входного сигнала,

Определение погрешности 2Л,т.е. определение сигнала коррекции,коррекция моментов привязки формируемых остроконечных импульсов к нуль- переходам входного сигнала и измерение разности фаз в предлагаемом устройстве осуществляются следующим

10

й

15

20

25

б

261856

образом. Полученные ранее д е пос.гч довательности прямоугольных иMI тули- сов (фиг.2 г.д) поступают ла хгд формирователя 6, где пресбра уют- ся в одну последовательгост - прямоугольных импульсов, рав::ьгх по ;цлч- тельности 2 Л (фиг.2е). Далее эти импульсы поступают на вход блока 1 коррекции, осуществляющего коррекцию моментов привязки формируемых конечных импульсов к нуль-переходам входного сигнала и само формирование указанных импульсов. Работа блока 7 коррекции основана на раздельном измерении импульсов сигнала ((4ir.2e) коррекции (в зависимости от положения триггера 10.) последовательно через элемент И 11 первым реверсивным счетчиком 12 и через элемент И 13 вторым реверсивным счетчиком 14 в режиме суммирования и последующим 4ют- мировании импульсов привязки. Реверсом счетчиков 12 и 14 управляет триггер 10 (Фиг.2ж,к). Работа блока 7 коррекции начинается с подачи команды Пуск в блок 8 синхр°низ - ции и появления первого импульса сигнала коррекции. При этом импульсы высокой частоты начинают поступать с генератора 24 на синхронный вход триггера 9 и открывают его по информативному входу.

Импульс привязки (Лиг.2з), соответствующий моменту перехода через нуль в положительном направлении, формируется счетчиком 12. При наличии высокого потенциала на прямом выходе триггера 10 (иг.2ж) и в течение времени действия первого импульса сигнала коррекции (Фиг.2е), снимаемого с прямого выхода триггера Ч, счетчик 12 работает в режиме суммирования импульсов частоты 0,5f,поступающих черея элемент И 11 на его тактовый вход. При отсутствии высокого потенциала на прямом выходе триггера 10 (фиг.2ж) происходи; считывание (вычитание) накопленного эа время действия первого импульса сигнала коррекции числа частотой f. Момент привязки фиксируется по появлению единичного потенциала на старшем избыточном разряде счетчика 12.

Импульс привязки (фиг.2м),соответствующий моментуперехода входного сигнала через нуль в отрицательном направлении, формируется реверсивным счетчиком 14. При наличии высокого

30

35

40

45

50

55

потенциала на инверсном выходе триггера 10 (фиг.2к) и в течение времени действия второго импульса сигнала коррекции счетчик 14 работает в режиме суммирования, при отсутствии указанного потенциала и прихода третьего импульса сигнала коррекции - в режиме вычитания. После появления импульсов привязки (фиг.2и,м) процесс считывания прекращается. Это обеспечивается путем подачи проинвер тированных с помощью инверторов 21 и 20 импульсов привязки на вход элементов И 16 и 19 соответственно.Триггеры 9 и 10 обеспечивают прохождение импульсов высокой частоты f и импульсов частоты 0,5 f с выхода делителя 15 частоты на входы счетчиков 12 и 14 и требуемую синхронизацию между их появлением и сменой режимов работы счетчиков 12 и 14. Под действием импульсов привязки (Фиг.2 и,м) триггер 22 формирует выходной сигнал (фиг.2н), не зависящей, как и остроконечные импульсы, ни от наличия во входном сигнале постоянной составляющей, ни от изменения уровня его амплитуды.

Формируемые остроконечные импульсы (фиг.2и,м), соответствующие точно моментам переходя через нуль входного сигнала U в положительном и отрицательном направлениях, а также формируемый, под их действием указанный сигнал (фиг.2н) выведены на выход фазометра, т.е. блока 7 коррекции, с целью использования их в любой комбинации при формировании фазовых интервалов, т.о. при использовании самых различных блоков 23 измерения.

Установлено, что на частоте - 10 кГц при перепаде уровней входного сигнала 60 дБ точность измерения во всем амплитудном диапазоне составляет 0,02 - 0,05 .

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет практически полностью исключить влияние изменения входного сигнала на результаты измерения, что почти на два порядка повышает точность измерения.

Формула изобретения

Устройство для измерения разности фаз, содержащее два канала формирования сигналов, входы которых являются

0

5

0

5

0

5

0

5

входами устройства, генератор счетных импульсов, выход которого через блок измерения соединен с входом блока индикации, при этом второй и третий входы блока измерения соединены с выходами каналов формирования сигналов, вторые входы которых соединены с выходом генератора счетных импульсов, а каждый из каналов формирования сигнала содержит первые последовательно соединенные элемент И и счетчик, отличающееся тем, что, с целью повышения точности при изменении уровня входного сигнала, в каждый из каналов формирования сигнала введены два усилителя, фазовращатель, формирователь сигнала коррекции, блок синхронизации, четыре триггера, делитель частоты, четыре элемента И, два инвертора и счетчик,при этом первый вход устройства через первый усилитель соединен с первым входом формирователя сигнала коррекции, а через последовательно соединенные фазовращатель и второй усилитель - с вторым входом формирователя сигнала коррекции, выход которого соединен с первым входом блока синхронизации и D-входом первого триггера, С-вход которого соединен с выходом делителя частоты, первыми входами второго и третьего элементов И и выходом блока синхронизации, второй вход которого соединен с вторым входом канала формирования сигнала,выход первого триггера соединен со счетным входом второго триггера и первыми входами первого и четвертого элементов И, выходы которых соединены соответственно с суммирующими входами первого и второго счетчиков, вычитающие входы которых через соответствующие последовательно соединенные второй элемент {i и первый инвертор, пятый элемент И и второй инвертор соединены соответственно с выходами первого и второго счетчиков и с R- и S-входами четвертого триггера, при этом вторые входы первого и четвертого элементов И соединены с выходом делителя частоты, прямой выход второго триггера соединен с третьим входом первого элемента И,вторым входом пятого элемента И, входом третьего триггера, выход которого через третий элемент И соединен с третьим, входом пятого элемента И, а инверсный выход второго триггера соединен с третьими входами второго и ход второго счетчика соединен с чы- четвертого элементов И, при этом вы- ходом канала формирования сигнал ч.

} V V,,

Уиг.1