Многоканальный фазометр Советский патент 1992 года по МПК G01R25/08 

е

Изобретение может быть использовано в автоматизированных информационно-измерительных системах для многоканального измерения фазовых сдвигов. Цель изобретения - повышение достоверности измерений и упрощение устройства. Многоканальный фазометр содержит в опорном канале 1 триггеры 2, 4,5, элементы И 3, 7, и 12,формирователь 6, одновибратор 8, счетчики 9 и 13, делитель 10 частоты, управляемый делитель 11 частоты, генератор 14, в измерительном канале 15 формирователи 16.1-16п, счетчик 17, элемент ИЛИ 18, элементы И 19, 22, триггеры 20, 23. 25.1-25.rt, 26, запоминающее устройство 21, элемент 24 задержки и регистр 27. 1 ил.

х| Ю О

о

ю

00

Изобретение относится к цифровой измерительной технике и может быть использовано в автоматизированных информационно-измерительных системах для измерения фазовых сдвигов нескольких электрических колебаний относительно одного, принимаемого за опорный сигнал.

Известен фазометр, содержащий формирователь опорного напряжения и генератор линейно изменяющегося напряжения, а также регистратор и п каналов обработки измеряемого сигнала, включающий каждый: формирователь измеряемого сигнала, генератор линейно изменяющегося напряжения, блок сравнения и фильтр нижних частот.

, Недостатками устройства являются возможность измерений только при фиксированной частоте сигналов, низкая точность, обусловленная дополнительным преобра- зованием временных интервалов в напряжения, значительные аппаратные затраты при необходимости увеличения количества каналов измерения, так как каждый измерительный канал содержит больше аппарату- ры, чем опорный.

Известно устройство для измерения сдвига фаз, содержащее два формирователя, триггер, инвертор, два одновибратора, четыре элемента И, элемент ИЛИ-НЕ, гене- ратор, делитель частоты и три счетчика.

Недостатки устройства - низкая точность при многоканальных измерениях - за счет суммирования погрешностей самостоятельных фазометров, значительные аппаратные затраты при необходимости увеличения количества каналов измерения, т. е. количества самостоятельных фазометров.

Наиболее близким по технической сущ- ности к предлагаемому является фазометр, содержащий в опорном канале формирователь, вход которого соединен с клеммой опорного сигнала, а выход подключен к С- входу триггера, прямой выход которого под- ключей к первому входу первого элемента И, генератор, соединенный с первым входом второго элемента И, выход которого через соединенный входами управления с выходами первого счетчика управляемый делитель частоты подключен к счетному входу второго счетчика, третий элемент И, одновибратор и делитель частоты, а в измерительном канале - формирователь, вход которого соединен с клеммой входного сиг- нала, элемент И, кроме того, п-1 измерительных каналов, з опорном канале два триггера и два магистральных усилителя, через первый из которых выходы второго счетчика подключены к магистрали кодов, а

через второй магистральный усилитель подключены к линии синхронизации второй вход второго элемента И и выход второго триггера, С-вход которого подключен к выходу формирователя, а D-вход к прямому выходу первого триггера и через одновибратор - к R-входам первого и второго счетчиков, делителя частоты и третьего триггера, С-вход которого соединен с клеммой синх- ровхода фазометра, D-вход соединен с клеммой логической единицы, выход - с первым входом третьего элемента И, подключенного вторым входом к инверсному выходу первого триггера, а выходом - к его D-входу, а также второй вход первого элемента И соединен с выходом генератора, а выход через делитель частоты - со счетным входом первого счетчика, при этом в каждом измерительном канале имеется также регистр, выходы которого соединены с выходами кода результата фазометра, информационные входы подключены к магистрали кодов, а вход управления - к выходу элемента И, один вход которого подключен к выходу формирователя, а другой - к линии синхронизации.

Недостатками устройства являются невысокая достоверность результатов измерений, обусловленная возможным считыванием информации из счетчика результата в момент изменения его состояния; большие аппаратные затраты при не- обходимости увеличения количества измеряемых сигналов, определяемые наличием самостоятельного регистра для каждого измеряемого сигнала, а также необходимостью их последующего мультиплексирования по выходам для считывания результатов измерения.

Цель изобретения - повышение достоверности измерений и упрощение устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в многоканальный фазометр, содержащий в опорном канале первый триггер, С-вход которого соединен с синхровходом устройства, D-вход - с клеммой сигнала логической единицы, а прямой выход- с первым входом первого элемента И, второй вход которого соединен с инверсным выходом, а выход с D-входом второго триггера, С-вход послед- него совместно с одноименным входом третьего триггера - через формирователь - с входом опорного сигнала, а прямой выход второго триггера соединен с D-входом третьего триггера, первым входом второго элемента И, а также - через одновибратор - с входами сброса первых триггера и счетчика, и делителя частоты,через который выход второго элемента И соединен с входом первого счетчика, поразрядно соединенного

выходами с входами управления управляемого делителя частоты, через который выход третьего Элемента И соединен с входом второго счетчика, при этом прямой выход третьего триггера соединен с первым вхо- дом третьего элемента И, а вторые входы второго и третьего элементов И -с выходом генератора, а также в измерительном канале - п формирователей, входы которых являются сигнальными входами устройства, четвертый элемент И, и регистр введены в его измерительный канал четвертый, пятый, шестой и п дополнительных триггеров, элемент задержки, элемент ИЛИ, пятый элемент И, запоминающее устройство и третий счетчик, вход управления параллельной записью которого является входом управления чтением фазометра, а входы параллельной записи - входом кода номера результата, кроме того, третий счет- чик соединен входом сброса с синхровхо- дом устройства, счетным входом - с первым входом элемента ИЛИ и выходом четвертого элемента И, выходом переполнения - с входом сброса четвертого триггера, а выхо- дами - поразрядно - с входами адреса запоминающего устройства, выходы которого являются выходами результата фазометра, вход синхронизации запоминающего устройства соединен с выходом пятого элемен- та И, вход режима - с прямым выходом пятого триггера и входом сброса второго счетчика, а информационными входами - поразрядно - с выходами второго счетчика, при этом вход последнего соединен с вто- рым входом элемента ИЛИ, а также - через элемент - с объединенными С-входами п дополнительных триггеров, входом установки четвертого и С-входом пятого триггеров, D-вход и вход сброса последнего соединены с выходом третьего триггера, прямой выход четвертого триггера соединен с входом сброса шестого триггера, пер- выми входами четвертого и пятого элементов,И,1 а также с входом режима ре- гистра, вход синхронизации которого соединен с выходом элемента ИЛИ, входы информационные - с прямыми выходами соответственно п дополнительных триггеров, входы установки которых соединены, в свою очередь, с выходами соответствующих п формирователей, объединенные входы сброса - с выходом третьего триггера, а объединенные D-входы - с клеммой логического нуля, при этом, вторые входы четвер- того и пятого элементов И совместно со счетным входом шестого триггера соединены с выходом третьего элемента И, их третьи входы - соответственно, с прямым и инверсным выходами шестого триггера, а

четвертый вход пятого элемента И - с последовательным выходом регистра.

Устройство многоканального фазометра иллюстрируется структурной схемой.

Многоканальный фазометр содержит в опорном канале 1 триггер 2, С-вход которого является синхровходом фазометра. D-вход соединен с клеммой логической единицы, а прямой выход - с входом элемента И 3, другой вход которого соединен с инверсным выходом, а выход - с D-входом триггера 4. С-входы триггеров 4 и 5 соединены через формирователь 6 с входом опорного сигнала, а прямой выход триггера 4 - с D-входом триггера 5, входом элемента И 7, а также - через одновибратор 8 - с входами сброса триггера 2, счетчика 9, делителя 1-0 частоты, через который выход элемента И 7 соединен с входом счетчика 9, поразрядно соединенного с входами управления управляемого делителя 11 частоты, через который выход элемента И 12 соединен с входом счетчика 13. Прямой выход триггера 5 соединен с входом элемента И 12, а вторые входы элементов И 7, 12 - с генератором 14. В измерительном канале 15 входы п формирователей 16.1-16.ri являются сигнальными входами устройства. Вход управления параллельной записью счетчика 17 является входом управления чтением фазометра, а входы параллельной записи - входом кода номера результата, он соединен входом сброса с синхровходом устройства, счетным входом - с входом элемента ИЛИ 18 и выходом элемента И 19, выходом переполнения - с входом сброса триггера 20, а выходами - поразрядно - с входами адреса запоминающего устройства 21, выходы которого являются выходами результата фазометра, вход синхронизации соединен с выходом элемента И 22, вход режима - с прямым выходом триггера 23 и входом сброса счетчика 13, а информационными входами - поразрядно - с выходами счетчика 13. Вход последнего соединен с входом элемента ИЛИ 18 и - через элемент 24 задержки - с объединенными С-входами триггеров 25.1-25.П, входом установки триггера 20, С-входом триггера 23, а D-вход и вход сброса последнего соединены с выходом триггера 5. Прямой выход триггера 20 соединен с входом сброса триггера 26, входами элементов И 19, 22 а также входом режима регистра 27, вход синхронизации которого соединен с выходом элемента ИЛИ 18, входы информационные-с прямыми выходами соответствующих триггеров 25.1-25.П, входы установки которых соединены с выходами формирователей 16.1- 16.п, объединенные входы сброса - с

выходом триггера 5, а объединенные D-вхо- ды - с клеммой логического нуля. Входы элементов И 19, 22 совместно со счетным входом триггера 26 соединены с выходом элемента И 12, их другие входы - соответственно с прямым и инверсным выходами триггера 26, а вход элемента И 22 - с последовательным выходом регистра 27.

Многоканальный фазометр работает следующим образом.

В исходном состоянии за счет цепей инициализации (на схеме условно не показаны) в опорном канале 1 и измерительном канале 15 триггеры 2, А, 5, 20, 23, 25.1-25.N и 26 находятся в нулевом состоянии (на прямом выходе О, на инверсном 1), счетчики 9, 43 и делитель 10 частоты обнулены, генератор 14 вырабатывает импульсы опорной частоты F, однако на выходы элементов И 7,12 они не проходят, поскольку на других входах этих элементов присутствует О. Формирователи 6,16.1-16.N вырабатывают короткие импульсы при переходе соответствующих входных сигналов через заданное характерное значение, например через нуль, однако состояние триггеров 4, 5, 25.1- 25.N не изменяется, так как на D-входах триггеров 4 и 5 и входах сброса триггеров 25.1-25,N имеется О. Временное положение указанных импульсов определяется и определяет величины фазовых сдвигов сигналов, поступающих на входы сигнальные, относительно опорного сигнала, поступающего на одноименный вход фазометра.

Многоканальный фазометр может находиться в двух режимах - режим измерения и режим чтения.

Режим измерения. Многоканальный фазометр переводится в режим измерения подачей на синхровход короткого импульса, который устанавливает триггер 2 в единичное состояние, за счет чего на D-вход триггера 4 через элемент И 3 поступает 1, а ещё обнуляет счетчик 17., подготавливая его к новому циклу измерения (после предшествующего режима чтения).

Измерительное время составляет два периода колебаний частоты измеряемых сигналов: период определения длительности периода, период определения фазовых сдвигов.

Период определения длительности периода.

После перевода многоканального фазометра в режим измерения период определения длительности периода начинается по первому же импульсу с формирователя 6, который устанавливает триггер 4 в единичное состояние (триггер 5 останется в исходном - поскольку по переднему фронту импульса с формирователя 6 на его D-входе

имеется О), что через элемент И 3 вызовет появление О на его собственном D-входе. По положительному перепаду на прямом выходе триггера 4 одновибратор 8 вырабатывает импульс, обнуляющий счетчик 9 и делитель 10 частоты (устраняя результаты предшествующего цикла измерений), а также сбрасывающий в исходное состояние триггер 2. С формированием 1 на входе

элемента И 7, через него импульсы опорной частоты F с генератора 14 начинают поступать на вход делителя 10 частоты (коэффициент деления ), а с выхода последнего - импульсы частоты F/Ki - на

вход счетчика 9, где к концу периода определения длительности периода формируется код числа NL По следующему импульсу с формирователя 6 начинается период определения фазовых сдвигов.

Период определения фазовых сдвигов. Импульс с формирователя 6 переводит Триггер 5 в единичное состояние, а триггер 4 - в нулевое, что вызывает закрывание элемента 1/1 7 и, соответственно, открывание элемента

И 12 через который импульсы опорной частоты F с генератора 14 начинают поступать на вход управляемого делителя 11 частоты. Так как в результате предыдущего периода последний управляется кодом N, то с его

выхода на вход счетчика 13 поступают импульсы частоты F/NL

Если период колебаний сигналов равен Ti то для периода определения длительности можно записать

(F/Ki)Ti F/Ki

а для периода определения фазовых сдвигов

(F/NiKl F/(Ti F/Ki)

т. е. за период длительностью Ti в счетчике 13 накоплено число 360.

Таким образом, ъа временной интервал TJ, определяемый значением фазового сдвига Wj состояние счетчика 13 достигнет значения NJ

Nj/Ni Tj/Ti или Tj/Ti. Поскольку по определению -Tj/Ti следовательно, (для получения результатов измерений в радианах нужно задать -л).

Таким образом, в течение периода определения фазовых сдвигов выходы счетчика 13 последовательно принимают

состояния, соответствующие кодам текущих значений фазовых сдвигов входных сигналов, определяющих временное положение импульсов на выходах формирователей 16.1-16.N, т. е. в момент появления импульса с формирователя 16.J на выходах счетчика 13 формируется код численного значения фазового сдвига NJ (на самом деле приход этого импульса фиксируется триггером 25.J в интервале между Nj-1 и NJ состояниями счетчика 13, а регистрируется в качестве кода результата измерения в запоминающем устройстве 21 уже состояние NJ - за счет того, что процесс счета импульсов счетчиком 13 начинается не с первого, а со второго поступившего импульса и в запоминающем устройстве 21 регистрируется по j-му адресу код результата Wj.

С началом периода определения фазовых сдвигов уровень 1 с выхода триггера 5 появляется на D-входе триггера 23 и по входам сброса разрешает установку последнего,а также триггеров 25.1-25.N.

Первый импульс с выхода управляемого делителя 11 частоты, пройдя через элемент ИЛИ 18, поступает на С-вхрд регистра 27 и вызывает параллельную запись состояния выходов триггеров 25.1- 25.N (те из них, на которые в течение интервала времени от начала периода определения фазовых сдвигов до момента поступления упомянутого выше первого импульса поступили импульсы с формирователей 25.1-25.N, установлены в единичное состояние, остальные - в нулевое;). Режим параллельной записи регистра 27 задается исходным уровнем О на выходе триггера 20.

Тот же импульс, пройдя через элемент 24 задержки, устанавливает в единичное состояние триггеры 20 и 23 (последний - на весь период определения фазовых сдвигов) и сбрасывает триггеры 25.1-25.N, причем по первому импульсу с выхода управляемого делителя 11 частоты счетчик 13 не срабатывает, так как в момент его поступления триггер 23 удерживает уровень О на его входе сброса.

Каждый последующий импульс с выхода управляемого делителя 11 частоты вызывает параллельную запись в регистр 27, увеличение на единицу состояния счетчика 13, а также (с задержкой) установку в единичное состояние триггера 20 и сброс в нулевое, состояние триггеров 25.1-25.N. Наличие 1 в j-ом разряде регистра 27 свидетельствует о том что фазовый сдвиг сигнала на j-ом входе соответствует текущему значению кода N на выходах счетчика 13, т. е. этот код должен быть записан по j-му адресу в запоминающее устройство 21.

Это достигается следующим образом.

При появлении 1 на выходе триггера 20 регистр 27 переводится в режим сдвига, а также устанавливается разрешающий уровень на соответствующих входах элементов И 19,22 и входе сброса триггера 26. Поскольку исходное состояние последнего - нулевое, первый импульс с выхода И 12 при наличии 1 на последовательном выходе регистра 27 пройдет через элемент И 22 на С-вход запоминающего устройства 21, вызывая запись текущего состояния выходов счетчика 13 по адресу 1. Если на выходе регистра 27

0 имеется О, то элемент И 22 оказывается заперт и запись по адресу 1 не происходит. По окончании первого импульса с выхода элемента И 12 выходы триггера 26 (двухсту- пенч атого) меняют свое состояние на проти5 воположн ое, разрешая прохождение следующего импульса (второго) через элемент И 19. Этот импульс увеличивает на единицу состояние счетчика 17 (адрес записи в запоминающее устройство 21) и, прой0 дя через элемент ИЛИ 18 на С-вход регистра 27, вызывает сдвиг так, что на последовательный выход поступает содержимое второго разряда регистра 27, после чего цикл записи - сдвига повторяется.

5

Таким образом, каждый нечетный импульс из 2.N импульсов последовательности с выхода элемента И 12 осуществляет запись текущего кода состояния счетчика

0 13 по текущему значению кода адреса запоминающего устройства 21, если в соответствующем ему разряде 27 в течение предыдущего интервала между импульсами счета счетчика 13 была записана 1. Если

5 записан О, то запись не происходит. Каждый четный импульс той же последовательности производит переход к следующему коду адреса записи и за счет сдвига на один разряд подает на последовательный выход

0 регистра 27 следующий соответствующий адресу записи разряд. Причем последний четный импульс, вызывая переполнение счетчика 17 и появление импульса на его соответствующем выходе и входе сброса

5 триггера 20, заканчивает цикл записи и возвращает триггеры 20, 26 в исходное состояние, запирает элементы И 19, 22. а регистр 27 переводит в режим параллельной записи.

0

По окончании периода определения фазовых сдвигов формирователь 6 вырабатывает импульс, устанавливающий триггер 5 также в исходное нулевое состояние, на его

5 выходе устанавливается О, что вызывает сброс в нулевое состояние триггеров 25.1- 25.N.23 а также уровнем О с выхода последнего - обнуление счетчика 13 и перевод запоминающего устройства 21 и всего фазометра в режим чтения.

Режим чтения. В режиме чтения на выходы результата выводятся коды из запоминающего устройства 21 (переведенного в режим чтения подачей О с выхода триггера 23), адреса которых соответствуют номерам входов измерительного канала 15, а значения - величинам фазовых сдвигов соответствующих сигналов. Выбор желаемого адреса осуществляют подачей соответствующего кода на вход кода номера результата, и (после этого) импульса на вход управления чтением. При этом происходит параллельная запись кода номера результата (номера канала) в счетчик 17, управляющего адресом чтения запоминающего устройства 21.

Положительный эффект от использования предлагаемого технического решения заключается в повышении надежности функционирования многоканального фазометра за счет исключения возможности сбоев при отсутствии синхронизации работы регистров и счетчика результата, а также в снижении аппаратных затрат, которое можно оценить следующим образом. Реализация 16 измерительных каналов известного устройства требует (без учета формирователей, количество которых идентично, и других общих блоков) следующего количества корпусов интегральных микросхем 155 серии: ЛА8-3 (магистральные усилители); ИР1-48 (регистры-12 разрядов двоично-десятичного кода); ЛИЗ - 4 (элементы И). Всего 55 корпусов (для последующего мультиплексирования результатов также потребуется 12 корпусов К155КП1). Для предлагаемого устройства (также 155 серия): ТМ2 - 9 (триггеры 20-25.16), (триггер 26); ЛЕ1 - 1 (элемент ИЛИ 18); ЛА1 - 1 (элементы и 19,22); АГЗ - 1 (элемент задержки 24); ИЕ7 - 1 (счетчик 17); РУ 2-3 (запоминающее устройство 21 на 16 слов по 12 разрядов); ЙР1 -4 (регистр 27), Всего 21 корпус, т. е. выигрыш составляет 55 - 21 %.

Формула изобретения Многоканальный фазометр, содержащий в опорном канале первый триггер, С- вход которого соединен с синхровходом устройства, D-вход - с клеммой сигнала логической 1, а прямой выход - с первым входом первого элемента И, второй вход которого соединен с инверсным выходом, а выход - с D-входом второго триггера, С-вход последнего совместно с одноименным входом третьего триггера через формирователь - с входом опорного сигнала, а прямой выход второго триггера соединен с О-входом третьего триггера, первым входом второго элемента И, а также через одновибратор входами сброса первых триггера и счетчика, и делителя частоты, через который выход второго элемента И соединен с входом первого счетчика, поразрядно соединенного выходами с входами управления управляемого делителя частоты, через который выход третьего элемента И соединен с входом второго счетчика, при этом прямой выход третьего триггера соединен с первым

0 входом третьего элемента И, а вторые входы второго и третьего элемента И - с выходом генератора, а также в измерительном канале - п формирователей, входы которых являются сигнальными входами устройства,

5 четвертый элемент И, и регистр, отличающий с я тем, что, с целью повышения достоверности измерений и упрощения устройства, введены в его измерительный канал четвертый, пятый, шестой и п дополнитель0 ных триггеров, элемент задержки, элемент ИЛИ, пятый элемент И, запоминающее устройство и .третий счетчик, вход управления параллельной записью которого является входом управления чтением фазометра, а

5 входы параллельной записи - входом кода номера результата, кроме того третий счетчик соединен входом сброса с синхровходом устройства, счетным входом - с первым входом элемента ИЛИ и выходом четверто0 го элемента И, выходом переполнения - с входом сброса четвертого триггера, а выходами поразрядно - с входами адреса запоминающего устройства, выходы которого являются выходами результата

5 фазометра, вход синхронизации запоминающего устройства соединен с выходом пятого элемента И, вход режима - с прямым выходом пятого триггера и входом сброса второго счетчика, а информационными вхо0 дами поразрядно - с выходами второго счетчика, при этом вход последнего соединен с вторым входом элемента ИЛИ, а также через элемента задержки - с объединенными С-входами п дополнительных триггеров,

5 входом установки четвертого и С-входом пятого триггеров, D-вход и вход сброса последнего соединены с выходом третьего триггера, прямой выход четвертого тригге- рахоединен с входом сброса шестого триг0 гера, первым входами четвертого и пятого элементов И, а также с входом режима регистра, вход синхронизации которого соединен с выходом элемента ИЛИ, входы информационные-с прямыми выходами со5 ответственно п дополнительных триггеров, входы установки которых соединены, в свою очередь, с выходами соответствующих п формирователей, объединенные входы сброса - с выходом третьего триггера, а объединенные D-входы - с клеммой логиче13172002814

ского О, при этом вторые входы четвертогосоответственно с прямым и инверсным выи пятого элементов И совместно с счетнымходами шестого триггера, а четвертый вход

входом шестого триггера соединены с выхо-пятого элемента И - с последовательным

дом третьего элемента И, их третьи входы -выходом регистра.