Цифровой низкочастотный фазометр мгновенного значения Советский патент 1991 года по МПК G01R25/00 

Изобретение относится к фазоизмери- тельной технике и может быть использовано для измерения угла сдвига фаз между двумя гармоническими колебаниями в области низких частот.

Цель изобретения - уменьшение времени измерения фазового сдвига и повышение точности измерений.

На фиг.1 приведена структурная схема фазометра; на фиг.2 и 3 -диаграммы напряжений, поясняющие работу фазометра и блока управления.

Устройство содержит формирователи 1 и 2, RS-триггер З, источник 4 опорного напряжения, электронные ключи 5-8, первый интегратор 9, второй интегратор 10, компаратор 11,узел 12 выборки-хранения, инвертирующий усилитель 13, блок 14 управления, генератор 15 счетных импульсов, временной селектор 16. счетчик 17.

Первый вход фазометра через формиро- ватель 1 соединен с входом S RS-триггера З. первым входом блока 14 управления Второй вход фазометра через формирователь 2 соединен с входом R RS-триггера 3, выход которого соединен с четвертым входом блока 14 управления. Источник 4 опорного напряжения соединен с входом электронного ключа 5, выход которого соединен с точкой, объединяющей выход электронного ключа 6 и вход первого интегратора 9, выход которого соединен с объединенными входами электронных ключей 6 и 7 и узла 12 выборки-хранения, выход которого соединен с входом инвертирующего усилителя 13, выход которого соединен с входом электронного ключа 8. Вход второго интегратора 10 соединен с точкой, объединяющей выходы электронных ключей 7 и 8, а выход - с входом компаратора 11 выход которого соединен с вторым входом блока 14 управления.

О

сл о

4 х|

ю

Первый, третий, четвертый, пятый выходы блока 14 управления соединены соответственно с управляющими входами электронных ключей 5-8, а второй выход блока 14 управления соединен с управляющим входом узла 12 выборки-хранения. Генератор 15 счетных импульсов соединен с входом временного селектора 16, управляющий вход которого соединен с шестым выходом блока 14 управления, а выход - с входом счетчика 17, выход которого соединен с третьим входом блока 14 управления.

Устройство работает следующим образом.

Формирователи 1 и 2 вырабатывают короткие импульсы, соответствующие переходу сигналов Ui и Ua через нуль из отрицательных значений в положительные (фиг.2а,б,в). На выходе RS-триггера З вырабатывается импульс,длительность которого At соответствует фазовому сдвигу Ду (фиг.2г), В исходном состоянии выходные напряжения интеграторов 9 и 10 равны нулю.

Устройство имеет три рабочих такта В течение первого такта, который начнется с приходом импульса с выхода Q RS-триггера З на четвертый вход блока 14 управления, последний на первом выходе вырабатывает импульс иГ (фиг.З), открывающий ключ 5. На вход первого интегратора 9 поступает постоянное напряжение Uo от источника 4. По заднему фронту импульса, приходящего с RS-триггера З, блок 14 управления на втором выходе вырабатывает импульс 1)2 (фиг.З), разрешающий запись напряжения иинт1вузел 12 выборки-хранения (фиг.2д). К этому времени выходное напряжение первого интегратора 9 будет равно

1 At1

11инт1 - - -г / U0 dt - U0 Д t. (1)

Т1

ri

где UHHT 1 - выходное напряжение первого интегратора за время At;

т - постоянная времени первого мнтзг- ратора 9;

At - длительность импульса на выходе RS-триггера З.

С приходом второго импульса с формирователя 1 ключ 5 закрывается и на интеграторе 9 будет напряжение:

иинт2 - f Uc г1 о

dt

:- Ги°т

где UMMT 2 - выходное напряжение первого интегратора за время Т:

Т - период колебаний исследуемого сигнала.

Таким образом, по окончании первого такта на выходе узла 12 выборки-хранения

появится постоянное напряжение, пропорциональное At, а на выходе первого интегратора 9 - напряжение, пропорциональное периоду Т сигнала.

В начале второго такта, который начинается в момент закрывания ключа 5, блок 14 управления открывает (сигнал Us , фиг.З) электронный ключ 8 и на вход второго интегратора 10 поступает напряжение с инвертирующего усилителя 13.6 этот же момент

открывается (сигнал UG , фиг.З) временной селектор 16 и на вход счетчика 17 разрешается прохождение счетных импульсов с генератора 15 (фиг. 2е)

В момент, когда счетчик 17 переполнится, второй такт закончится и интегратор 10 зарядится до напряжения иинт3 (фиг.2ж)

Unm3 - к .

- и„„т1

to

г2- / (- иИнтО к dt

t2,

(3)

где УинтЗ выходное напряжение второго ™ интегратора 10 после второго такта;

Г2 - постоянная времени второго интегратора 10;

К - коэффициент передачи инвертирующего усилителя 13;

35t2 длительность второго такта, to Т I

Минус под знаком интеграла учитывает чю усилитель 13 инвертирует сигнал.

С началом третьего такта интегрировали ния, когда замкнут (1М . фиг.З) электронный ключ 7, на вход интегратора 10 поступает напряжение Unm2 с выхода первого интегратора 9. Конденсатор второго интегратора разряжается, и в момент, когда выходное 45 напряжение станет равным нулю (иинт + + иинт4 0), на выходе компаратора 11 вырабатывается импульс U2 (фиг.З), поступающий на второй вход блока 14 управления. На его шестом выходе вырабатывается им- сд пульсГиа (фиг 3), запрещающий прохождение счетных импульсов через селектор 16 на вход счетчика 17 В этот же момент на третьем выходе блока 14 управления появится импульс Us (фиг.З). замыкающий на корот- 5 кое время ключ 6, производя тем самым сброс интегратора 9 (фиг.2д) и возвращая устройство в исходное состояние.

Таким образом

Um i4 UnHi3

VI

1

UMHT t3,

И)

11инт2 dt - - toГ2

где 1з - длительность третьего такта, tx

to + t3.

Зная, что временные интервалы t2 и 1з заполняются счетными импульсами генератора 15 с частотой f0. получим

-Ј:(5)

-Ј.(6)

о

где No, NX - число импульсов соответственно во втором и третьем тактах. Решая уравнение (4):

1/ UiiHTl.,At ,,

t3 K-t2-T (7)

с учетом выражений (1) и (2), (5) и (6) NX -К No Nf - К No рх

Выбирая значение N0, кратным 36, можно получить отсчет непосредственно в градусах.

Преобразование интервалов времени At и Т в постоянные напряжения осуществляется в течение одного периода сигнала Т и занимает один измерительный такт. В течение последующих двух тактов осуществляется деление этих напряжений посредством аналого-цифрового преобразования. Таким образом, суммарное время измерения составляет

Т.ИЗМ1 Т + t2 + t3.(8)

где t изм1 время измерения предлагаемого устройства;

Т - период исследуемого сигнала;

t2, 13 - длительность соответственно второго и третьего измерительных трактов.

В устройстве-прототипе за счет последовательного во время преобразования At и Т в постоянные напряжения время измерения составляет

1изм2 2 Т + 12 + 13,(9)

где 1изм2 - время измерения устройства- прототипа.

Таким образом, время измерения сокращается почти в два раза при Т т.2 + т.з

В связи с тем, что преобразование At и Т в постоянные напряжения осуществляется за один период исследуемого сигнала, то

устраняется также дополнительная погрешность, связанная с возможным изменением частоты сигнала от периода к периоду.

Формула изобретения Цифровой низкочастотный фазометр мгновенного значения, содержащий счетчик импульсов, два формирователя, четыре

электронных ключа, блок управления и генератор счетных импульсов, RS-триггер, источник опорного напряжения, интегратор, компаратор, узел выборки-хранения, инвертирующий усилитель, временной селектор,

при этом входы формирователей являются входами фазометра, а выход первого формирователя соединен с S-входом RS-тригге- ра и первым входом блока управления, выход второго формирователя соединен с

R-входом RS-триггера, выход которого соединен с четвертым входом блока управления, выход источника опорного напряжения соединен с входом первого электронного ключа, выход которого подключен к входу

интегратора и выходу второго электронного ключа, вход которого соединен с выходом интегратора, а также с входами третьего электронного ключа и узла выборки-хранения, выход которого через инвертирующий

усилитель соединен с ВАОДОМ четвертого электронного ключа первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой выходы блока управления соединены соответственно с управляющими входами первого электронного ключа, узла выборки-хранения, второго, третьего и четвертого электронных ключей и временного селектора а второй и третий входы блока управления соединены соответственно с выходами компаратора и

счетчика импульсов, генератор счетных импульсов через временной селектоо подключен к входу счетчика импульсов, отличающийся тем, что. с целью уменьшения времени измерения фазового сдвига и повышения точности измерений, в него дополнительно введен второй интегратор, вход которого соединен с обьединенными выходами третьего и четвертого электронных ключей, а выход - с входом компаратора.

5$

V

.

5

Изобретение относится к фазоизмери- тельной технике и может быть использовано для измерения угла сдвига фаз между двумя гармоническими колебаниями в области низких частот. С целью уменьшения времени измерения фазового сдвига и повышения точности измерения в фазометр введен второй интегратор, а преобразование периода сигнала и интервала времени, пропорционального сдвигу фаз, осуществляется в течение одного и того же периода исследуемого сигнала. Введенный интегратор обеспечивает совместно с аналого-цифровым преобразованием двойное интегрирование и определение отношения интервала времени к периоду. 3 ил

«

D

I

I

«5$:§

б S

г

в

е

я

Фиг 2

Фиг.З