Устройство для измерения частоты гармонического сигнала Советский патент 1991 года по МПК G01R23/00 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может использоваться для определения частоты гармонического сигнала за время, меньшее длительности его периода в условиях действия шумов.

Целью изобретения является повышение помехозащищенности измерения частоты.

На чертеже представлена структурная схема устройства.

Устройство для измерения частоты гармонического сигнала содержит последовательно включенные аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 1, вход которого является входом устройства, регистры сдвига 2-8, последовательно включенные дополнительный сумматор 9 и блок 10 умножения, второй вход которого подключен к выходу элемента 11 памяти, последовательно включенные сумматор 12. блок 13 деления, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 14 и функциональный блок 15, выход которого является выходом устройства, а также генератор 16 импульсов, выход которого обьеди- нен с управляющими входами АЦП 1 и регистров сдвига 2-8. Выходы регистров сдвига 2, 4, 6 и 8 соединены со входами сумматора 12, а выходы регистров сдвига 3 и 7 - со входами дополнительного сумматора 9, при этом выход блока 10 умножения юдключен к второму входу блока 13 деле- чя.

Сущность работы устройства заключается в следующем. Допустим, что на вход АЦП 1 подается гармонический сигнал

О 00

00

5S

ю

S(t) А ().

0)

где А - амплитуда, а круговая частота и р - начальная фаза сигнала. Полагаем, что

31688182-1

A const и IXH const, т.е. с течением времениделения мгновенной частоты необходимо

не изменяются. АЦП 1 фиксирует значениерешить систему уравнений (9)...(15), исклюсигнала в точках опроса, следующих черезчив из нее неизвестные параметры сигнала.

равные промежутки времени, равные пе-Для этого просуммируем урзенрния (9), (11),

риоду опроса Т0. Последовательность вы-5 (13) и (15)

борок, т.е. мгновенных значений

амплитуды входного гармонического сиг-AI + Аз + As 4 AT AI + А; + Аз 4 As

нала, можно записать в виде системы из

семи уравнений A ()(T - ЗТ0) + р +

10

AI A sin (wTi +Ј),+ (T4 + 3T0) + fl + )(T4 - T0)+

Aa A sin (wT2 ) ,(2)+-y)(T4-T0) A sin (шТз + /) ,(3) 15 sln(wT4- y5)-cos(3wT0) +

A4 A sin (wT4 + p),(4)((i)74 + p)cos(a) T0)-

As A sin ()(5) 2Asin(ftjT4 -y)-2cos(2ft)T0)x

20

Ae Asln(ft)T6 ),(6)xcos(cwT0)(16)

A A sin (caJi ).(7)Просуммируем также уравнения (10)

и (14)

2е) Учитывая, что

А2 + Ае A{sin o; (Т/5 - 2Т0) + (

Ti Тд - ЗТ0.

+ (Tfl + 2Т0) + }

Т2 Т4 - 2Т0.

30 2Аз1п(сиТ4 + )со5().(17)

Т3 Т4 - То,(8)

Рчзделим выражение (16) на выражеТ5 Т4 + Т0,ние(17)

Т6 Т4 4- 2Т0,35 AI + Аз +А5 + А

А2 +А6

Ту Т4 + ЗТ0,

систему уравнений (2),..(8) можно перепи- 2A sin (coT4 ) cos ( 2 fe)T0 )2 cos () сать в виде.2А sin (wT4 +y) cos (2 )

Ai (T4-3To) + ,(9) cos (uTo).(18)

A2 A sin w(T4-2T0) + /,(Ю)Из уравнения (18) получаем решение системы уравнений (т.е. значение частоты)

A3 )(T4-To) + V.01)

- LAT + АЗ + AS + A f 1 „ч

А4 A sin( + р),(12) То arccos 2(А2+А6) 1

As A sin ш (Т4 + То) + /,(13) 50 или

Аб A sin со(Т4 + 2Т0)+ /,(11)t 1 гргп„ AT -f Аз + Д5 + A f9m

f TFfT °2(А2+Аб1 ( }

A7 )(T4 + 3To) + (/5,(15)

55 где тг 3,1415926...

Система уравнений (9)...(15) содержит че-Сигнал в виде напряжения синусоитыре неизвестные величины: А - амплиту- дальней формы поступает на вход АЦП 1, ду, О) - мгновенную частоту. Т4 - момент который производит с периодом То пре- времени, в котором была взята четвертая образования мгновенных значений сиг- выборка и р - начальную фазу. Для опре- нала в цифровой код. Этот код поступает

на вход регистра 2 сдвига и далее с частотой

.- 1

го последовательно переписывается

I о

в регистры сдвига 3-8. Таким образом, в установившемся режиме в регистре 2 сдвига находится код Ui, в регистре 3 сдвига - код U2, в регистре 4 сдвига - код 1)з, в регистре 5 сдвига - код U4, в регистре 6 сдвига - ко 1 Us, в регистре 7 сдвига - код Ue, в регистре 8 сдвига - код Uy, где Ui, Ua, из, U4, Us, Ue, U - мгновенные значения сигнала соответственно в моменты Ti, Т2, Тз, Т4, TS, Те, Т, представленные в цифровом коде. Содержимое регистра 2 сдвига, регистра 4 сдвига, регистра 6 сдвига и регистра 8 сдвига суммируется в сумматоре 12 и результат поступает на первый вход блока 13 деления. Содержимое регистра 3 сдвига и регистра 7 сдвига суммируются в дополнительном сумматоре 9 и результат поступает на первый вход блока 10 умножения, на второй вход которого с элемента 11 памяти поступает постоянное число два; таким образом, на выходе блока 10 умножения получается цифровой код, соответствующий выражению

2(U2 + U6),

Этот код поступает на второй вход блока 13 деления, на выходе которого получается цифровой код. соответствующий выражению

Ui +U3 +Us +U

2(U2+U6)

В соответствии с этим кодом цифроаналого- вый преобразователь 14 выдает постоянное напряжение, которое функциональный блок 15 преобразует в мгновенное значение частоты гармонического сигнала в соответствии с выражением

arccos

Ui + Рз + Us +U-7 2 ( U2 + U6 )

С поступлением очередного тактового импульса с выхода генератора 16 импульсов через период То, происходит сдвиг информации в регистрах сдвига 2-8, причем в регистр 2 сдвига записывается код, соответствующий очередному мгновенному значению гармонического сигнала.

При измерении частоты гармонически о сигнала с наложенными на него неюрр ли рованными шумами мгновенные значения сигнала на выходе АЦП Ui. U2. Un. . IK Ur,

U, кроме действительного значения гярмо нического сигнала несут в себе и аддитив ную составляющую, обусловленную воздействием шумов на входной гармонический сигнал. В результате сложения и после

дующих операций преобразования (в соответствии с алгоритмом работы устройства) мгновенных значений зашумленного гармонического сигнала с учетом сложной картины их взаимных корреляционных связей происходит уменьшение результирующей шумовой составляющей на входе цифроаналогового преобразователя 14 и вследствие этого уменьшается средне- квадратическая погрешность измерения

частоты за счет повышения помехозащищенности измерений.

Формула изобретения

Устройство для измерения частоты гармонического сигнала, содержащее генератор импульсов, последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь, вход которого явгяется входом устройства, первый, второй и третий регистры сдвига, последовательно соединенные сумматор, блок деления, цифроаналоговый преобразователь и функциональный блок, выход которого является выходом устройства, при этом выходы первого и третьего регистров сдвига подключены ко входам сумматора, а выход генератора импульсов объединен с управляющими входами аналого-цифрового преобразователя и третьего

регистра сдвига, отличающееся тем, что, с целью повышения помехозащищенности, в него введены элемент памяти, последовательно соединенные четвертый, пятый, шестой и седьмой регистры сдвига.

управляющие входы которых обьединены с выходом генератора импульсов, последо- тательно соединенные дополнительный , умматор и блок умножения, выход которо- п. подключен к второму входу блока памяти,

при этом входы сумматора соединены с выходами пятого и седьмого регистров сдвига, а выходы второго и шестого регистров сдвига соединены с входами дополнительного сумматора.

Вход

№Ґ

Выход

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может использоваться для определения частоты гармонического сигнала за время, меньшее длительности его периода в условиях действия шумов Целью изобретения является повышение помехозащищенности измерения частоты Устройство для измерения частоты гармонического сигнала содержит аналого-цифровой преобразователь 1, регистры сдвига 2-4, сумматор 12, блок 13 деления, цифро- аналоговый преобразователь 14 и функциональный блок 15. Введение регистров сдвига 5-8, дополнительного сумматора 9. блока 10 умножения и элемента 11 памяти позволило сохранить точность измерений в условиях действия шумов 1 ил