Способ определения сигнала знака разности фаз и устройство для его осуществления Советский патент 1991 года по МПК G01R25/04 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в измерительных приборах и системах.

Цель изобретения - расширение области применения.

На чертеже приведена структурная электрическая схема устройства для определения сигнала знака разности фаз, реализующего способ определения сигнала знака разности фаз.

Устройство для определения сигнала знака разности фаз содержит первый 1, второй 2, третий 3 формирователи импульсов, первый триггер 4, второй триггер 5, третий триггер 6, инвертор 7, элемент И 8, первый элемент 9 задержки, четвертый триггер 10, генератор 11 импульсов, счетчик 12, четвертый формирователь 13 импульсов, второй элемент 14 задержки.

Первая и третья входные клеммы устройства через формирователи 1 и 2 импульсов соединены с входами R- и S-триггера 4, вторая входная клемма устройства через формирователь 3 импульсов соединена с первым входом элемента 8 И и входом инвертора 7, выход которого соединен с тактовым входом триггера 10 (Dt-типа), вход D которого соединен с четвертой входной клеммой устройства, а выход - со вторым входом элемента 8 И. Выход элемента 8 И соединен с входом сброса счетчика 12, счетный вход которого соединен с выходом генератора импульсов. Старший разряд счетчика 12 соединен через четвертый форО 00

VI VJ

мирователь 13 импульсов с тактовым пхо- дом второго триггера (D-тима), вход D которого соединен с выходом первого триггера, эыходы второго триггера 5 через соответствующие элементы 9, 14 задержси положительного фронта соединены с R- и S-входами третьего триггера, выход которого является выходом устройства.

Способ определения сигнала знака разности фаз осуществляется следующим образом.

Сравниваемые по фазе первое и второе синусоидальные напряжения и опорное синусоидальное напряжение (частоты Т) преобразуют в опорную, первую и вторую последовательность импульсов той же частоты, передние фронты которых совпадают с моментами положительных переходов через нулевой уровень соо т встстгзу ют их синусоидальных напряжений. Дальнейший процесс формирования сигнала знака разности фаз осуществляется по передним Фронтам сформированных импульсов.

Разность фаз ( - ipo) между фронтами опорной и первой последовательности импульсов преобразуют п третью последовательность импульсов, следующих с частотой Г передние фронты которых совпадают по фазе с Фронтами импульсов опорной последовательности, а длительность которых равна:

360и

где (р ра} разность фэз между передними фронтами опорных импульсов и импульсов первой последовательности.

Формируют первый нспомо1ательный сигнал с частотой 1: - Kf, где К 1, преобразуют его путем деления его частоты в К раз в четвертую последовательность им- пупьсон частоты f, Е.ВОДЯТ второй нспомош тельный двухуровневый сигнал так, что при его первом уровне фазу переднего фронта импульсов четвертой последовательности синхронизируют с фазой переднего фронта импульсов второй последовательности импульсов, а при изменении уровня второго вспомогательного сигнала от первого уровня ко второму и на все время напичия второго уровня второго вспомогательного сигнала фиксируют фазу переднего фронта импульсов четаертой последовательности на уровне, отличающемся от фазы фронта второй последовательности импульсов в момент изменения уровня второго вспомогательного сигнала на величину, не

360° превышающую этом форми0

0

5

0

5

C

руют первый бинарный сигнал первого уровня при ро р tp , и второго уровня - при невыполнении этого условия.

В этом случае при первом уровне второго вспомогательного сигнала фаза фронта импульсов четвертой последовательности вследствие синхронизации ее с фазой импульсов второй последовательности совпадает с ней, в силу чего уровень первого бинарною сит нала соответствует текущему соотношению фаз р и pi , а знак разности фаз определяется в соответствии с тем уровнем первого бинарного сигнала, продолжительность которого превышает Тп .

При изменении уровня второго вспомогательного сигнала и фиксации фазы фронта четвертой импульсной последовательности на момент этою изменения сигнал знака разности фаз будет уже определяться величиной этой зафиксированной (с точностью

360Г

5

0

) фазы четвертой импульсной последовательности.

Устройство для определения сигнала знака разности фаз работает следующим образом.

На третью входную клемму устройства поступает сигнал, задающий начало отсчета фазовых сдпигов ко1 гролируемых сигналов, поступающих на пг тую и вторую клеммы устройства (предполагается, что все входные сигналы имеют синусоидальную форму; сигнал на третьей клемме является опорным).

На выходах формирователей 1-3 появляются короткие положительные импульсы, передний фронт которых соответствует нулевой фазе каждого из входных напряжений.

I la вход R триггера 4 от формирователя 1 импульсов поступают импульсы начала отсчета фазовых сдвигов при этом на выходе триггера 4 устанавливается уровень О.

По положительному фронту импульса, поступающего от формирователя 2 импульсов на вход S триггера 4, на его выходе устанавливается уровень 1.

Таким образом, длительность сигнала с уровнем О на выходе триггера 4 пропорциональна фазовому сдвигу сигнала на первой входной клемме устройства. Положительный импульс, вырабатываемый формирователем 3 импульсов, инвертируется инвертором 7, благодаря чемучетвертыйтриггер 10, Ортипа, на тактовый вход которого воздействует импульсе выхода инвертора 7, принимает состояние, соответствующее уровню сигнала на его входе D (на четвертой входной клемме), причем это остояние может измениться

лишь по заднему фронту импульса, вырабатываемого формирователем 3 импульса,

Допустим, на четвертой клемме ycia- ноплен уровень 1, в ЭТОР-I случае трипер 10 также находится в состоянии 1, вслсдсл- пие чего на выходе элемента О И присутствуют импульсы, совпадающие по времени с 1 мпульсами на выходе формирователя 3. Эти импульсы воздействуют на вход сброса и нулевое состолние сметчика 12, и yciaiiPR- лиоают его в нулевое сосюяние.

Разрядность счетчика 12 и частота F генератора 11 связаны с частотой f входных сигналов на клеммах с первой по третью соотношением

- f

где п - разрядность счетчика.

Следует заметить, чго и этом условии HCI чего-либо особенного: в измерительных системах зачастую имеется оперный высокочастотный генератор, преобрлзовтнием частоты которого получены различные частоты измерительной системы, в маетности, и частоты питания датчиков, вырабатываю щих исследуемые сигналы,

В общем случае генератор 11 может быть сделан в виде генератора с управляемой частотой, если частоты измеряемых сиг- налов переменные: для постоянной чаеюты исследуемых сигналов всегда может быть построен генератор фиксированной частоты, удовлетворяющий данному условию).

Цикл переполнения счетчика 12 при

f -- - с точностью до квант

(5.1

равен периоду измеряемого 2n f

сигнала.

Поэтому при возвращении старшего разряда счетчика в нулевое состояние короткий импульс, формируемый формирователем 13 импульсов, совпадает по времени (с точностью до dt , который может быть сделан пренебрежимо малым) с импульсом на выходе формирователя 3.

Таким образом, благодаря синхронизации счетчика 12 фронтом второго сигнала, фаза выходного импульса с точностью до

360° 360°

2

К

совпадает с фазой вто рого сигнала.

Импульс с выхода формирователя 13 воздействует на тактовый вход второго триггера П Dt-типа, устанавливая его в состояние, соответствующее уровню на его оходе D,

Таким образом, если фазовый СДЕ.ИГ си; нала, поступающего на первую входную клемму устройства, превышает фазовый сдвиг сигнала, поступающего на вторую входную клемму, на выходе триггера 5 устанавливается сигнал с уровнем О, если не превышает 1,

В случае, если фазовые сдвиги контролируемых сигналов совпадают или близки к нулю, возникают колебания сигнала на выходе триггера 5. Частота этих колебаний не превышает частоты контролируемых сигналов. В установившемся режиме уровни сигналов на выходах триггеров 5 и 6 совпадают. Допустим, на прямом выходе триггера 5 единичный уровень, на инверсном - нулевой.

При приближении фазы импульса формирователя 13 к одному из фронтов сигнала на входе D триггера 5, вследствие помех, может произойти случайное переключение триггера 5 о противоположное состояние, которое, в силу случайности процесса, не может сохраниться более нескольких периодов входного сигнала.

Колебание сигнала на выходе триггера 5 имеет место в некотором диапазоне значений разности фаз контролируемых сигналов; при равенстве фазовых сдвигов колебания имеют максимальную частоту (можно показать, что эта максимальная час- J 2

тота равна

), и средняя длительность

единичных и нулевых состояний триггера 5 приблизительно равны, и малы по сравнению с временем задержки положительного фронта импульсов, равного Тп (практически величина Тп на порядок превышает период входных сигналов), обеспечиваемого элементами 9 и 14 задержки. Поэтому ни один из положительных фронтов на выходах Q и Q триггера 5 не достигает входов S и R триггера 6, который не меняет свое состояние.

Чем больше величина разности фаз контролируемых сигналов, тем меньше вероятность переключения триггера 5 в ложное состояние и меньше время его нахождения в этом ложном состоянии; одновременно, вероятность его переключения в истинное состояние и продолжительность его нахождения в этом состоянии, соответственно, больше. Очевидно, зона, в которой имеют место флуктуации состояния триггера 5, зависит от уровня помех, и чем этот уровень меньше, тем большую задержку Тп должны обеспечивать элементы 9 и 14. Однако, начиная с некоторой разности фаз, длительность преимущественного состояния триггера 5 превысит величину Тп. после чего

триггер 6 перейдет и останется п состоянии, соответствующем преимущественной разности фаз в приграничной области.

Допустим теперь, что необходимо определить знак разнос)и фаз в определенный момент времени.

Пусть в этот момент на четвертой клемме сигнал изменится с единичного уровня на нулевой.

Последний после этого момента времени импульс выхода формирователя 3 пройдет через элемент 8 И и сбросит счетчик 12, после чего трип ер 10 переключится в нулевое состояние и закрое элемент 8 И.

Начиная с этого момента времени, местоположений на временной оси импу/и-со. формируемого формироваюлем 13, совпадает на момент появления нулевого уровня на четвертом входе с точностью до Л с фазой сигнала на втором входе бпзгодзря тому, что время переполнения счатчи я 12 равно периоду входного сигнала, а импульсы на его вход сброса больше не поступают.

Таким образом, в данном устройстве обеспечивается фиксация фазы четвертой импульсной последовательности.

Таким образом, функциональные возможности изобретения позволяет как фор мировать текущее значение знака разнесли фаз, так и знак разности фаз, характеризующий фазу одного из сигналов на заданный момент времени; при необходимости аналогичные преобразования могут быть выполнены и с первым сигналом, при этом сигнал знака разности фаз будет характеризовать соотношение двух фаз на требуемый момент времени.

Формула изобретения

1. Способ определения сигнала знака разности фаз, заключающийся в том, что преобразуют первый и второй исследуемые и опорный синусоидальный сигналы соответственно в первую, вторую и опорную импульсные последовательности, передние фронты импульсов которых совпадают с моментами перехода через нулевой уровень соответствующих синусоидальных сигналов, формируют из первой и опорной импульсных последовательностей тргтью импульсную последовательность, передний и задний фронты имиульсос которой совпадают соответственно с передними фронтами импульсов опорной и первой импульсных последовательностей, формируют первый и второй сигналы из третьей и второй импульсных последовательностей, причем первый сигнал формируют при опережении фазы третьей импульсной последоват:пьности над второй, а второй - при опережении второй импульсной последова- тел носгм над третьей, сравнивают длительности п°рпиго и второго сигналов с опорной длительностью и определяют знак

разности фаз между первым и вторым исследуемыми сигналами по результату сравнение, отличающийся тем. что, с целью расширения области применения, при фор- мпровг:яии первого и второго сигналов в

качестЕе второй импульсной последовательности используют дополнительный импульсный сигнал, который совпадает по флзе и частоте с сигналом второй импульсной последовательности, причем время воздействия дополнительного импульсного сигнала соответствует времени измерения, определяемому введенной командой Пуск.

2. Устройство для определения сигнала

знака разности фаз, содержащее первый, и третий формирователи, входы ко- TCOi-ix являются соответственно первым, TV TL;;;- и вторым в,-.одами устройства, пер- пий, о горой и трети . триггеры, первый элемент задержки, элемент И и инвертор, причем выходы первого и второго формиро- у.пелей соединены соответственно с R- и С-зходами пероого триггера, выход которого соединен с D-входом второго триггера, а

выход третьего триггера является выходом устройства, отличающееся тем, что, с целью расширения области применения, введены генератор импульсов, выход которого соединен последовательно со счетным

входпч введенного счетчика, введенным четвертым формирователем и тактовым входом второго триггера, четвертый триггер, D-вход которого является введенным четвертым входом устройства, тактовый вход

которого через инвертор соединен с выходом третьего формирователя и первым входом элемента И, второй вход которого соединен с Т-выходом четвертого триггера, а выход элемента И соединен с входом сброса счетчика, второй элемент задержки, причем первый и второй выходы второго триггера через первый и. второй элементы задержки соединены соответственно с S- и Р -входами третьего триггера.

0x1

н

-к

Вых

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в измерительных приборах и системах, Целью изобретения является расширение области применения. Способ предусматривает формирование временного интервала, соответствующего сдвигу фаз между опорным и первым измеряемым гармоническим сигналами, формирование первого и второго сигналов,связанных величиной и знаком разности фаз с исследуемыми сигналами, из сформированного временного интервала и сформированного дополнительного импульсного сигнала, который совпадает по частоте и фазе с вторым исследуемым сигналом и время действия которого соответствует времени воздействия введенной команды Пуск, сравнение длительностей первого и второго сигналов с опорной длительностью и определение сигнала разности фаз по результату сравнения. Особенностью способа является введение дополнительного импульсного сигнала и его воздействие на время введенной команды Пуск. 2 с.п.ф-лы, 1 ил. (Л С

ЦПм