Устройство для измерения фазового сдвига Советский патент 1991 года по МПК G01R25/00 

Ј

Изобретение предназначено для информационно-измерительных систем. Цель изобретения - повышение достоверности измерений путем исключения ошибок измерений в окрестности ± л II. Устройство содержит клеммы 1 и 2 для подключения опорного и измеряемого сигналов, блок 3 формирования временных интервалов, состоящий из формирователей 4 и 5 коротких импульсов и RS-триггеров 6 и 7, ключи 8 и 9, интеграторы 10 и 11, арифметический блок 12, индикатор 13 и блок 14 формирования сигнала признака знака, включающий элементы И 15 и 16 и RS-триггер 17. Возможность исключения ошибок измерений в области ±тг /2 достигается за счет однозначности функциональной характеристики устройства в указанном диапазоне. 3 ил.

Os

О CJ

ел

Os

,

Изобретение относится к электроизмерительной технике и можетбыть использовано при разработке информационно-измерительных систем для измерения фазовых сдвигов,

Цель изобретения - повышение достоверности измерений путем исключения ошибочных измерений в окрестности

±31/2.

Нафиг.1 изображена структурная схема устройства; на фиг.2 и 3 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Устройство содержит клеммы 1 и 2 для подключения входных сигналов, блок 3 формирования временных интервалов, состоящий из формирователя 4 коротких импульсов по положительным и отрицательным нуль-переходам исследуемого сигнала, формирователя 5 коротких импульсов по положительным нуль-переходам опорного сигнала и первого 6 и второго 7 RS-тригге- ров, первый 8 и второй 9 аналоговые ключи, первый 10 и второй 11 интеграторы, арифметический блок 12 и индикатор 13, а также блок 14 формирования сигнала признака знака фазового сдвига, который состоит из первого 15 и второго 16 элементов И и RS- триггера 17, выход которого подключен к знаковому входу индикатора 13.

Первый выход формирователя 4 коротких импульсов соединен с S-входами триггеров 6 и 7, а второй - с R-входом триггера 7, прямой выход которого соединен с управляющим входом ключа 9 и первым входом элемента И 15, а инверсный - с вторым входом элемента И 16. Выходы элементов И 15 и 16 соединены соответственно с S- и R-входами триггера 17, выходом соединенного с входов индикатора 13. Вторые входы элементов И 15 и 16 соединены с выходом формирователя 5 коротких импульсов и R- входом триггера 6, выход которого соединен с управляющим входом ключа 8. Клемма 1 для подключения опорного сигнала через ключ 8 и интегратор 10 соединена с одним входом арифметического блока 12, а через ключ 9 и интегратор 11 - с другим входом арифметического блока 12, выход которого соединен с индикатором. Входные синусоидальные сигналы (фиг.2 и 3) описываются следующими выражениями:

Ui(t)Um sin wt; U2(t)Umsin(un-y); (1)

где Ui(t) и lk(t) - соответственно опорный и исследуемый сигналы;

(р- измеряемый фазовый сдвиг;

Um - амплитуда напряжений Ui(t), Il2(t) {для упрощения анализа она принята одинаковой для обоих сигналов, так как результат измерения сдвига фаз от амплитуд сигналов не зависит).

Формируют из опорного сигнала Ui(t) два кусочно-гармонических сигнала (фиг.2 и Зз, и), описываемых выражениями

Vt,:{Vinwt av

15 1° KT + )T;

fDSIMWt, )тi ( 2 №

1 nI M

1°, )T,

где К 0, 1,2,...;

вРеменн°й интервал, соответствующий измеряемому фазовому сдвигу:

т 2тг

Т -(jj-период повторения гармонических сигналов.

Определяют средние значения за период каждого из этих сигналов:

,.

40

VH sinwteit.Lfi-co); Л)

о

т/г

.

Is)

Если взять отношение напряжения Un к напряжению Ui2, то получают

50|} 0 - cos р) sin V2 , (6}

откуда следует, что

55

p 2arcsln j(1

т.е. по отношению постоянных напряжений, пропорциональных средним значениям первого и второго кусочно-гармонических

сигналов, можно определить абсолютное значение фазового сдвига в диапазоне О (р л. Определение знака фазового сдвига и, следовательно, измерение фазового сдвига в диапазоне - п р л достигается за счетиспользования сигнала признака знака фазового сдвига.

Как следует из соотношения (7), фазовый сдвиг определяется по функции arcsin x, которая не имеет точек разрыва. Это позво- ляет повысить точность измерения фазовых сдвигов в окрестности значений р ±л II,

Опорный сигнал Ui(t), относительно которого измеряется фазовый сдвиг исследу- емого сигнала UzW (фиг.2,За), подается с клеммы 1 на аналоговые входы ключей 8 и 9 и на вход формирователя 4 блока 3. На формирователь 5 блока 3 поступает с клеммы 2 исследуемый сигнал lk(t). Формирователь 4 формирует две последовательности коротких по длительности импульсных сигналов U4 , Ш в моменты положительных и отрицательных нуль-переходов опорного напряжения Ц1(т.)(фиг,2 и 36, в), а формирователь 5 формирует последовательности коротких импульсов Us в моменты положительных нуль-переходов исследуемого напряжения l|2(t) (фиг.2 иЗг).

Первый 6 и второй 7 RS-триггеры на S- и R-входы которых поступают соответствующие последовательности импульсов L)4+, U4 , Us+, формируют управляющие сигналы 1/6 и 1/7 (фиг.2 и Зд, е, ж), длительность которых определяется из соотношения (2) и (3). Эти сигналы управляют работой ключей 8 и 9, в результате чего на выходах последних образуются кусочно-гармонические сигналы Us. Ug (фиг.2 и Зз, и), которые поступают далее на интеграторы 10 и 11. На выходах последних создаются квазипостоянные напряжения Уюи Un, которые затем поступают на арифметический блок 12. В последнем, который может быть выполнен, например, в виде функционального знало- го-цифрового преобразователя, определяется модуль искомого фазового сдвига в соответствии с выражением (7) в диапазоне значений 0 р л,

Для определения знака р с целью рас- ширения диапазона измерения фазового сдвига до 2 л( - тг) предназначен блок 14 формирования сигнала признака знака фазового сдвига, который формирует на выходе сигнал Ui признака знака в виде. например, уровня логической 1 при р 0 (фиг.2, Зм) или логического О, при р 0. Выходными сигналами, управляющими работой блока 14, являются импульсы

положительных нуль-переходов исследуемого сигнала LfeW (фиг.2 и Зг), которые поступают на вторые входы элементов 1$ 15 и 16, а также парафазные сигналы U, U с прямого и инверсного выходов второго RS- триггера 7 блока 3, которые подаются на вторые входы соответственно первого 15 и второго 16 элементов И.

Сигналы1/15, Uiec выходов элементов И 15 и 16 (фиг.2 и Зк, л) управляют работой RS-триггера 17, логический уровень сигнала Ui7 с прямого выхода которого определяет значение знакового разряда индикатора 13.

Точность определения знака f в окрестностях значений р 0 и у ±тг зависит в предлагаемом устройстве от быстродействия элементов И 15 и 16 и триггера 17, которое для современной цифровой элементной базы (например, серии 500) составляет единицы наносекунд. Сравнительный анализ точностных характеристик предлагаемого устройства с известными показывает, что дополнительной составляющей погрешности измерения р , обусловленной неоднозначностью определения знака р , можно пренебречь, так как быстродействие блока 14 формирования сигнала признака знака на порядок выше быстродействия аналоговых ключей, которые вносят основной вклад в суммарную погрешность измерения р.

Таким образом, в устройстве для измерения фазового сдвига повышена достоверность измерения фазового сдвига в окрестности значений, равных ±,т/2.

Формула изобретения

Устройство для измерения фазового сдвига, содержащее клеммы опорного и измеряемого сигналов, первый и второй аналоговый ключи, сигнальные входы которых обьединены и соединены с клеммой опорного сигнала, а выходы подключены к входам соответственно первого и второго интеграторов, выходы которых соединены с входами арифметического блока, выходом соединенного с индикатором, отличающееся тем, что, с целью повышения достоверности измерений путем исключения ошибок измерений в окрестности ±я /2, в него введены два формирователя коротких импульсов, входами соединенные соответственно с клеммами опорного и измеряемого сигналов, три RS-триггера и два элемента И, причем входы формирователей коротких импульсов соединены соответственно с клеммами измеряемого и опорного сигналов, первый выход первого формирователя коротких импульсов соединен с Sвходами первого и второго RS-триггеров, а второй выход - с R-входом второго RS-триг- гера, прямой выход которого соединен с управляющим входом второго ключа и первым входом первого элемента И, а инверсный - с первым входом второго элемента И, выход второго формирователя коротких импульсов соединен с R-входом первого RS

а. 3 е

он

.з:

и

к

/I.

t

Фм.г

триггера и вторыми входами первого и второго элементов И, выходы которых соединены соответственно с S- и R-входами третьего RS-триггера. выход которого соединен с вторым входом индикатора, при этом выход первого RS-триггера соедийен с управляющим входом первого ключа.

и

f в .

д

ж

щ

Vt

ts

v«

Фм.З