Аналого-цифровой низкочастотный фазометр Советский патент 1992 года по МПК G01R25/00 

(Л

с

Изобретение относится к фаэоизмерительной технике и может быть использовано для измерения угла сдвига фаз между двумя гармоническими колебаниями в области низких частот.

Известен цифровой низкочастотный фазометр 1, содержащий управляемый делитель напряжения, представляющий собой последовательное соединение выходных цепей двух преобразователей код - сопротивление, При этом выходное сопротивление одного из преобразователей пропорционально фазовому сдвигу р, а другого пропорционально величине 360° - (р. При выполнении этого условия выходное напряжение делителя, на выход которого подается стабильное постоянное напряжение, пропорционально фазовому сдвигу.

Недостатком этого устройства является наличие большого числа резисторов и реле - сложность конструкции преобразователя код - сопротивление, а также зависимость показаний отсчетного устройства от постоянного напряжения UQ. нестабильность которого увеличивает погрешность измерения.

Наиболее близким к заявляемому является цифровой низкочастотный фазометр 2, использующий метод нахождения Д поэтапным преобразованием интервалов времени At и Т в постоянные напряжения с помощью интегратора, входящего в состав АЦП, запоминание полученных напряжений в блоках выборки-хранения с последующим нахождением отношения этих напряжений в АЦП двойногб интегрирования.

Такой фазометр имеет недостатки. Ему свойственно большое время измерения фазового сдвига обусловленное последовательным во времени преобразованием At и Т в постоянные напряжения с помощью интегратора, наличие дополнительной погрешности, обусловленной тем. что преобразования At и Т в посгоянные напряжения осуществляются в течение двух периодов исследуемого сигнала (первый и второй такты интегрирования), причем первый такт (преобразование At) начинается с при-ходом первого периода исследуемого сигнала, а второй такт (преобразование Т) начинается с приходом второго периода, при изменении частоты колебаний исследуемого сигнала от периода к периоду возможно появление дополнительной погрешности. Кроме того, фазометру свойственна статическая norpeujHOCTb. зависящая главным образом от входного сдвига и

дрейфа интегратора и сравниваюидего усгройства (компаратора).

Цель изобретения - повыа1ение быстродействия и увеличение точности измерения

фазового сдвига.

Цель достигается тем. что в предлагаемом фазометре преобразования .А t и Т в напряжения осуш.ествляются в течение одного периода исследуемого сигнала. Для

уменьшения статических погрешностей фазометра его структура изменена так. что точность интегратора в основном определяет общую точность измерения фазового сдвига.

На фиг.1 приведена структурная схема

фазометра; на фиг.2 - диаграммы напряжений, поясняющие принцип действия фа.зометра.

Фазометр содержит входные формирователи 1 и 2. RS-триггер 3. 1К-триггер 4. источник 5 постоянного напряжения, элемент И 6. элемент ИЛИ 7. счетные триггеры 8 и 9. электронные ключи 10 и 11. инвертор 12. временные селекторы 13 и 14. генератор 15.

счетных импульсов, счетчики 16 и 17 импульсов, интегратор 18, неинвертирующий усилитель 19. ограничитель 20 напряжения, компаратор 21, цифро налоговый преобразователь (ЦАП) 22. дифференцирующие цепочки 23 и 24.

Фазометр работает следующим образом.

Формирующие устройства 1 и 2 вырабатывают короткие импульсы, соответствующие переходу сигналов Ui и U2 через ноль из отрицательных значений в положительные. На выходе RS-триггера 3 вырабатывается импульс, длительность которого At соответствует фазовому интервалу

Л/7(сдвигу фаз)(фиг.2. УЗ).

С приходом пускового импульса (фиг.2:ПУСК) в момент времени tn триггеры 4.8.9 устанавливают в нулевое состояние. счетчик 17 обнуляется. Короткий импульс.

приходящий с выхода формирователя 2. в момент ti переводит триггер 4 в единичное состояние. Это происходит потому, что в момент времени ti 1К-триггер 4 находится я счетном режиме, так как на I- и К-входах

присутствует единица, т.е. сигнал ин верти рующего выхода триггера 8 (фиг.2. Us). На выходе триггера 4 вырабатывается импульс (фиг.2, и), открывающий временной селектор 13 и на вход счетчика 16 разрешается

прохождение счетных импульсов частотой fo с выхода генератора 15. По переднему фронту импульса триггера 4 дифференциру цепочка 23 вырабатывает импульс, обнуляющий счетчик 16. Таким образом. :,

момент начала счета исходное состояние счетчика 16 - нулевое. В момент времени t2 на выходе элемента И 6 вырабатывается импульс (фиг.2, Кб), открывающий ключ 10. На вход интегратора 18 поступает положительное напряжение с выхода источника 5. Напряжение на выходе интегратора начинает убывать по линейному закону (фиг.2. Ui7). В момент времени ta триггер 4 переводится в нулевое состояние (фиг.2, U), триггер 8 - в единичное. На входы 1 и К 1К-триггера 4 поступает нулевой уровень и сигналы на входе G не вызывают изменения состояния триггеров 4 и 8до следующего прихода сигнала ПУСК. В момент времени t3 временной селектор 13 закрывается, в счетчике 16 фиксируется число импульсов N:

N fo (t3-ti) fo Т.(1)

где Т - период исследуемого сигнала.

В этот же момент времени электронный ключ 10 закрывается и к моменту времени тз напряжение на выходе ингегратора 18

1

UHHT - Y /и dt - - у U(t3 -12)

12

-VA..

(2)

где и - напряжение источника 5:

г- постоянная времени интегратора: (t3-12)- временной интервал интегрирования, соответствующий фазовому сдвигу А.

В момент времени хз также происходит переключение триггера 9 в единичное состояние (фиг.2. Ug) и на его выходе появляется импульс, открывающий временной селектор 14, на вход счетчика 17 разрешается прохождение счетных импульсов с генератора 15 (фиг.2. Ui4). элемент И 6 переключается в нулевое состояние, ключ ТО закрывается, на выходе инвертора 12 вырабатывается импульс, открывающий ключ 11, На вход интегратора 18 поступает напряжение с выхода ЦАП 22

Uuan Kn-N-Uorp.(3)

где Кп коэффициент преобразования ЦАП 22;

Uorp - выходное напряжение ограничителя 20.

Следует отметить, что коэффициент усиления усилителя 19 выбирается достаточно большим, поэтому практически с началом интегрирования U на интервале хз -12 усилитель 19 попадает в режим насыщения (фиг,2, Uis), Фазы передачи сигнала интегратором и усилителем 19 выбраны таким образом, что напряжение насыщения Uis всегда имеет противоположную полярность к и. Использование ограничителя 20 напряжения.

в наиболее простом варианте выполненного на стабилитроне, подключенном к выходу усилителя 19 через балластный резистор, которое в зависимости от N преобразуется

в напряжение Unan, позволяет сформировать напряжение, служащее в последующем такте интегрирования в качестве опорного. Выходное напряжение интегратора после подачи на его вход начинает изменяться

в противоположную сторону и к моменту времени tx достигнет 0: tx

UHHT- /Unan dt 0.

(4)

t3

Решая уравнение (4) относительно (tx

ta). получим

t -13 тi - и At

УцапКп N Jorp

- - - -(5)

Т

Uotp fo

По окончании разряда емкости интегратора усилитель 19 выходит из насыщения и попадает в активный режим. Перепад напряжения на выходе усилителя 19, образующийся при уравновешивании, приводит к срабатыванию компаратора 21 (фиг.2, U2o) и на выходе дифференцирующей цепочки 24 вырабатывается короткий импульс (фиг.2. U23), переключающий триггер 9 в нулевое

состояние (фиг,2, Ug), Временной селектор закрывается, в счетчике 17 устанавливается число импульсов

NX fo (tx - t3).(6)

С учетом выражения (6) уравнение (5) примет вид

At .

и

Nx 7 --К

N ,

Кп Uorp

где К -г -г-.- - общий коэффициент пре1чп Uorp

образования.

Выбирая значение К 3.6 п .2.3.... можно получить отсчет N непосредственно в градусах.

Следует отметить, что электронный

ключ 11 остается замкнутым до начала следующего цикла преобразования, интегратор 18 и усилитель 19 оказываются охваченными отрицательной обратной связью (ООС) через ограничитель напряжения и ЦАП. Большое усиление в петле ООС на постоянном токе способствует 11оддержанию на выходе интегратора напряжения, равного сдвигу на входе усилителя 19 (при отсутствии сдвига на входе интегратора) до следующего цикла

преобразования.

Исходя из вышеизложенного следует, что изменение структуры преобразования позволяет обеспечить следующие преимущества заявляемого устройства, приводимые в сравнении с прототипом.

За счет того, что преобразование временных интервалов Д t и Т в постоянные напряжения происходит в течение интервала времени Т, т.е. за время одного периода, исключается погрешность, появление которой возможно за счет изменения частоты сигнала в процессе измерений, таким образом, фазометр позволяет определять мгновенное значение фазового сдвига.

Уменьшается значение статической погрешности, обусловленной входным сдвигом и дрейфом интегратора и сравнивающего устройства за счет введения следящей ООС с выхода усилителя 19 на вход интегратора.

Формула изобретения Дан а лого-цифровой низкочастотный фазометр, содержащий счетчик импульсов. два формирователя, два электронных ключа, генератор счетных импульсов. RS-триггер, источник опорного напряжения, компаратор, интегратор, временной селектор, при этом входы формирователей являются входами фазометра, выход первого формирователя подключен к S-входу. а выход второго - к R-еходу RS-триггера, выход источника опорного напряжения через первый ключ соединен с точкой, объединяющей вход интегратора и выход второго электронного ключе, выход генератора импульсов соедимея с входом временного селектора. выход которого соединен с входом счетчика, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия и увеличения точности измерения фазового сдвига, в него введепЬ 1К-триггер, первый и зторой счетные триггеры, элемент ИЛИ. элемент И, второй В|эеменной селектор, втсрой счетчик. Ц лфроаналоговый преобразователь, ограничитель напряжения, неинвертирующий усилитель, инвертор, первая и вторая дифференцирующие цепочки, причем С-вход1Ктриггера соединен с выходом второго

формирователя, авыход объединяет С-выходы первого и второго счетных триггеров. входы,второго временного селектора, первой дифференцирующей цепочки и второго входа элемента И, первый вход которого

соединен с выходом RS-триггера, а выход с вторым входом первого электронного ключа и входом инвертора, выход которого соединен с первым входом второго электронного ключа, вход неинвертирующего усилителя соединен с выходом интегратора, а выход - с входами ограничителя напряжения и компаратора, при этом выход ограничителя соединен с входом опорного напряжения цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с вторым входом второго электронного ключа, выход компаратора соединен через вторую дифференцирующую цепочку с вторым входом элемента ИЛИ. выход которого соединен сR-входом второго счетного триггера, выход которого соединен с вторым входом первого временного селектора, инвертирующий выход первого счетного триггера соединен с 1и К-входами 1К-триггера. второй вход второго временного селектора соединен с выходом генератора счетных импульсов, а выход - с входом второго счетчика импульсов, выходная шина соединена с входной шиной цифроаналогового преобразователя.

выход первой дифференцирующей цепочки соединен с входом сброса второго счетчика R-входы 1К-триггера, первого счетного триггера, первого счетчика и первого входа элемента ИЛИ объединены с третьим входом

фазометра, входом Пуск.

Использование: фазоизмерительная техника, измерение угла сдвига фаз междудвумя гармоническими колебаниями в области низких частот. Сущность изобретения: устройство содержит входные формирователи