Цифровой фазометр для измерения среднего значения сдвига фаз Советский патент 1991 года по МПК G01R25/08 

Ё

Изобретение относится к радиоизмерительной технике, в частности к устройствам измерения среднего значения сдвига фаз между двумя сигналами с использованием подсчета стандартных импульсов. Целью изобретения является повышение точности и достоверности измерения. Устройство содержит формирователи 1, 2, триггеры 3, 4, 5, 6, элементы И 7, 8, ключи 9, 10, 11, генератор 12, счетчик-делитель 13, счетчики 14, 15, арифметический блок 16, обнаружитель сбоев 17 и счетчик сбоев 18. 3 ил.

Изобретение относится к радиоизмерительной технике, а именно к устройствам измерения среднего значения сдвига фаз между двумя сигналами с использованием подсчета стандартных импульсов.

Целью изобретения является повышение точности и достоверности измерения.

На фиг. 1 приведена структурная электрическая схема цифрового фазометра для измерения среднего значения сдвига фаз; на фиг.2 - временные диаграммы напряжений входных и преобразованных сигналов; на фиг.З - алгоритмы работы арифметического блока.

Цифровой фазометр для измерения среднего значения сдвига фаз содержит первый и второй формирователи 1 и 2, первый, второй, третий, четвертый триггеры 3, 4, 5, 6, первый и второй элементы И 7 и 8, первый, второй, третий ключи 9, 10, 11, генератор квантующих импульсов (ГКИ) 12. счетчик-делитель 13, первый, второй счетчики импульсов 14 и 15, арифметический блок 16, обнаружитель сбоев 17 и счетчик сбоев 18.

Выход первого формирователя подключен к первым входам триггера 3, элементов И 7 и 8. обнаружителя сбоев 17, выход обнаружителя сбоев 17 через счетчик сбоев 18 соединен с третьим входом арифметического блока 16, выход которого подключен ко вторым входам триггеров 4, 5, 6, первого и второго счетчиков 14 и 15, счетчика сбоев 18 и третьему входу обнаружителя сбоев 17, второй вход которого подключен к выходу второго формирователя и второму входу первого триггера 3, выход которого через первый вход первого ключа 9 соединен с первым входом первого счетчика 14, а выход счетчика соответственно с первым входом

ON VJ О О

ю ю

N3

арифметического блока 16, второй вход которого подключен к выходу второго счетчика 15, при этом его первый вход соединен с выходом третьего ключа 11, причем его первый вход подключен ко второму входу первого ключа 9, выходу ГКИ 12, вторым входам элементов И 7 и 8 и второго ключа 10, выход которого соединен через делитель 13 с первым входом третьего триггера 5, причем второй выход этого триггера подключен к третьему входу второго ключа 10, а первый - к третьим входам третьего ключа 11 и второго элемента И 8, выход которого соединен с первым входом четвертого триггера 6, а его инверсный выход соответственно со вторым входом третьего ключа 11 и четвертым входом первого ключа 9, при этом третий вход этого ключа соединен с первым входом второго ключа 10 и первым выходом второго триггера 4, второй выход которого подключен к третьему входу первого элемента И 7, причем его выход соединен с первым входом второго триггера 4.

Фазометр работает следующим образом.

Опорное и исследуемое напряжения (синусоидальные) периода Тк поступают на входы формирователей 1 и 2 (фиг.2а,б), которые в моменты перехода напряжений через нуль формируют прямоугольные импульсы (фиг.2в,г). Импульсы с выходов формирователей 1 и 2 поступают на входы триггера 3. Импульсы опорного напряжения с выхода формирователя 1 поступают также на первые входы элементов И 7 и 8. После подачи импульса сброса с арифметического блока 16 на первые входы триггеров 4, 5, 6, третий вход обнаружителя сбоев 17 и вторые входы счетчика сбоев 18 и счетчиков 14 и 15 устройство устанавливается в исходное состояние для проведения одного цикла измерения среднего значения разности фаз за период измерения. Элемент И 7 в исходном состоянии открыт по своему третьему входу потенциалом с выхода триггера 4, элемент И 8 закрыт по своему третьему входу потенциалом с триггера 5, ключи 9, 10, 11 также закрыты в исходном состоянии. Квантующие импульсы длительностью т и периодом следования Т0 с выхода ГКИ 12 поступают на вторые входы элементов И 7 и 8, на первый вход ключа 10. При совпадении во времени импульса опорного напряжения с квантующим импульсом срабатывает элемент И 7, выходной импульс которого перебрасывает триггер 4, открывая ключи 9, 10. блокируя на время измерения элемент И 7, Через открытый ключ 9 на вход счетчика 14 начинают поступать квантующие импульсы периода То,

сгруппированные в пачки, длительность которых пропорциональна (фиг.2д). Кроме того, квантующие импульсы через ключ 10 начинают поступать на входы счетчикаделителя 13 с коэффициентом деления, равным К, который формирует время измерения тиэмо К-Т0, т.е. время измерения 1измо постоянно и выбрано заранее (фиг.2е). Выходной импульс счетчика-делителя частот 13, появляющийся через время, равное Хиэмь, после срабатывания элемента И 7 перебрасывает триггер 5, закрывая ключ 10 и открывая ключ 11. Элемент И 8 также открывается по своему второму входу потенциалом с выхода триггера 5. Через открытый ключ 11 на вход счетчика 15 начинают поступать квантующие импульсы периода Т0 При совпадении во времени импульса опорного напряжения с квантующим импульсом сра батывает элемент И 8. выходной импульс которого перебрасывает триггер 6, тем самым закрывая ключи 9. 11, прекращая доступ квантующих импульсов в счетчики 14, 15. Таким образом, в счетчиках 14 и 15 зафиксируются коды т, п, причем код п соответствует временному интервалу Тизм между концом времени измерения гиэм и срабатыванием элемента И 8 при совпадении импульса опорного напряжения с квантующим

импульсом. Суммарное время измерения фазометра находится из выражения

Ти

эм - 1измо

Atn

Код А соответствует времени измерения Тизм и равен А К + п. Среднее значе- ние сдвига фаз вычисляется в арифметическом блоке по формуле

m -Щ. . тело

К + п

360°

(1)

Импульсы с первого и второго формирователей 1 и 2 поступают также на первый и второй входы обнаружителя сбоев 17 соответственно. Обнаружитель сбоев производит анализ сбоевых ситуаций, заключающихся в следующем. При поступлении на вход формирователей 1 и 2 двух чистых сигналов, сдвинутых по фазе, на их выходах формируется прямоугольные импульсы. При этом импульсы поступают на вход триггера 3 в строго определенной последовательности, т.е. положительными фронтами импульсов опорного сигнала триггеры открываются, а положительными фронтами импульсов фазных сигналов закрываются. Импульсы, формируемые триггером, будут пропорциональны по длительности фазовым сдвигам между входными сигналами. При воздействии на входные сигналы шумовой помехи возможны смещения моментов переходов через нуль

входных напряжений. При этом при фазовых сдвигах, близких к 0 или 360° . возможно нарушение порядка поступления открывающих и закрывающих фронтов импульсов (фиг.2в,г), из-за чего триггером 3 произво- дится формирование импульсов, длительность которых уже не пропорциональна по длительности фазовому сдвигу между входными сигналами, что приводит к появлению погрешностей, которые будут зависеть от времени измерения Тизм. частоты входного сигнала, числа подобных сбоев за время измерения 1изм. Таким образом, обнаружитель сбоев 17 производит анализ правильности поступления открывающих и закрывающих импульсов, поступающих на триггер 3. Если поступают на входы обнаружителей сбоев сразу два открывающих либо два закрывающих импульса, обнаружитель сбоев фиксирует это. Сигналы с выхода об- наружителя сбоев 17 (при наличии сбоевых ситуаций) в виде счетных импульсов поступают на первый вход счетчика сбоев 18, который подсчитывает число сбоев за период измерения.

Алгоритм обработки полученных результатов, производимый арифметическим блоком 16, приведен на фиг.З. Подсчет числа сбоев позволяет произвести измерения среднего значения сдвига фаз с определен- ной степенью точности и определить, достоверны ли данные, полученные за период измерения т.изм. либо их следует отбраковать.

Вышеизложенное проиллюстрируем на следующем примере.

Предположим, что на входы первого и второго формирователя 1 и 2 поступают два синусоидальных сигнала одинаковой частоты, сдвинутые по фазе Ду 1 (фиг.2а,б). 1изм Т к

а Тк

Т - (1)

1000 36000 Если шумы не воздействуют на входные сигналы, устройство подсчитает значение сдвига фаз на время измерения 1Изм по формуле (1), при этом получим

, ю юоо

3600000

360° 1°

(2)

Предположим теперь, что на входной сигнал воздействует шумовая помеха. При этом произошло нарушение порядка чередования открывающих и закрывающих импульсов (фиг.2в,г,д), в результате чего произошло удлинение разрешающего импульса с триггера 3 и счетчик 14 зафиксировал дополнительно 3590 квантующих импульсов (если смещение фазовых фронтов под воздействием шумов равнялось двум градусам). При этом обнаружитель сбоев 17 зафиксирует сбой. Для простоты расчетов примем, что количество квантующих импульсов за каждый период частоты входного сигнала, поступающих на счетчик 14, было

пропорционально Ау 1 . Арифметический блок 16 определяет среднее значение сдвига фаз по формуле (1)

/

10

..3ео-,з57°.з,

5 10 1520 25

30 35

®

45

при этом Дуъш 1,357° - 1°-0,357°.

Если обнаружитель сбоев 17 и счетчик сбоев 18 зафиксируют две сбоевых ситуации, то

л J 0 l99i+ 2 : 3590 . о 14о ,41 Р3600000JbU 714 (4

. 1.714°- 1° 0.714° При количестве сбоевых ситуаций, равном 10.

10 980 + 10 -3590 р -

3600000

360° 3,57° (5)

-3,57°- 1° 2,57°. Как видно, фиксирование в подсчет числа сбоевых ситуаций позволяет производить измерение среднего значения сдвига фаз с определенной степенью точности, которая будет определяться количеством сбоевых ситуаций за время измерения гизм, временем измерения, частотой входного сигнала.

Формула изобретения Цифровой фазометр для измерения среднего значения сдвига фаз по авт.св. №761935, отличающийся тем. что, с целью повышения точности и достоверности результатов измерения, внего введены последовательно соединенные обнаружитель сбоев и счетчик сбоев, причем первый и второй входы обнаружителя сбоев соответственно соединены с выходами первого и второго фор- мирователей, в.ыход счетчика сбоев соединен с третьим входом арифметическою блока, а выход арифметического блока соединен с вторыми входами второго, третьего и четвертого триггеров, первого и второго счетчиков, счетчика сбоев и третьему входу обнаружителя сбоев.

Начальная установка t/ золус измерителя

Золуск таймера

Ожидание окончания бремени измерения (лрерь/боние ло л аимеру)

ввод информации из cve/rwuxa сбоев 18

Уисло . сбоев, зафиксированное счетииком сбоеб 18, больше лоро - гового числа

Да

вывод информации о нелригодносл7и комллеклю дынь/

Мет

бвод даннь/х t/э cvesnvt/xaS 74 и 15

г

(f; . 360°

k+n