Низкочастотный цифровой фазометр Советский патент 1992 года по МПК G01R25/00 

Изобретение относится к фазоизме- рительной технике и может быть использовано для измерения угла Фаз между двумя гармоническими колебаниями в области низких частот.

Известны различные цифровые фазометры. Например, прямого преобразования мгновенного значения Фазового сдвига и периодического сравнения для измерения среднего значения сдвига фаз.

Недостатком фазометров мгновенного значения фазового сдвига является необходимость знания или измерения частоты сигналов, а Фазометров среднего значения фазового сдвига при изменении на очень низких частотах - недопустимо большое время измерения.

Известен цифровой низкочастотный фазометр, содержащий управляемый де-, литель напряжения, представляющий

собой последовательное соединение выходных цепей двух преобразователей код-сопротивление. При этом выходное сопротивление одного из преобразователей пропоционально фазовому сдвигу , а второго - пропорционально величине 360° - if. При выполнении этого условия выходное напряжение делителя, на вход 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 отсчет- ного устройства от постоянного напряжения UQ , нестабильность которого увеличивает погрешность измерения.

Наиболее близким к заявляемому является цифровой низкочастотный фаN4

00

Jb

ч

к

«я

зометр, импользующий метол нахождения поэтапным преобразованием /at и Т в постоянные напряжения с последующим нахождением их отношения путем двойного интегрирования.

Однако в таком фазометре при малы углах сдвига фаз возникают дополнительные погрешности, связанные с не- идеальностью интегратора.

Целбю изобретения является уменьшение погрешности от неидеальности интегратора при изменении малых углов фазового сдвига.

Поставленная цель достигается тем что в устройстве формируются временные интервалы с длительностями Т+ 4t и Т - ut, которые в последующем преобразуются в постоянные напряжения и затем обрабатываются в блоке деления (АЦП двойного интегрирования) .

На фиг. 1 приведена структурная схема фазометра; на фиг. 2 - диаграммы напряжений, поясняющие принцип, действия; на фиг.З, 4 - устройство блоков 3 и 19.

Фазометр содержит формирующие устройства 1 и 2, управляющее устройство 3, источники 4 и 5 опорных напряжений, электронные ключи 6-Ю, блоки 11 и 12 выборки-хранения, интегратор 13, компаратор 14, инвертирующий усилитель 15, генератор 16 счетных импульсов, временной селектор 17, реверсивный счетчик 18, блок 19 управления АЦП.

Входы фазометра через последовательно соединенные формирующие устройства 1 и 2 соединены соответствен но с первым и вторым входами управляющего устройства 3, выходы источников 4 и 5 соединены соответственно со входами электронных ключей 6 и 7, выходы которых соединены со входами интегратора 13 и выходами ключей 8- 10. Выход интегратора 13 соединен с точкой объединяющей входы компаратора И и блоков 11 и 12 выборки- хранения, выход блока 11 выборки- хранения соединен со входом инвертирующего усилителя 15, выход последнего и выход блока 12 выборки-хранения соединены соответственно со входами электронных ключей 9 и 10. Пер

вый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой выходы управляющего устройства 3, соединены соответственно с управляющими входами электронных ключей

0

0

ig

5

6-8, блоков 11 и 12 выборки-хранения и первым входом блока 19 управления АЦП. Второй и третий входы блока 19 управления АЦП соединены соответственно с выходом компаратора И и реверсивного счетчика 19, управляющий вход которого соединен с третьим выходом блока 19 управления, -четвертый выход которого соединен с управляющим входом временного селектора 17, причем вход последнего соединен с выходом генератора 16 импульсов, а выход - со входом счетчика 16.

Устройстве работает следующим образом.

Формирующие устройства 1 и 2 вырабатывают короткие импульсы, соответствующие переходу сигналов через нуль из отрицательных значений в положительные (фиг.2), которые поступают в управляющее устройство 3. Фазометр имеет четыре рабочих такта.

В течение первого такта, который начинается с приходом импульса с выхода формирующего устройства 1 на первый вход управляющего устройства 3, последнее на первом выходе вырабатывает импульс (фиг.2 иэ), открывающий электронный ключ 6. При повторном поступлении импульса с выхода формирующего устройства 1 на выходе k управляющего устройства 3 выраба- 35 тывается короткий импульс (фиг.2 ие), осуществляющий запись напряжения и

0

в блок 11 выборки-хранения. Напряжение UT к этому моменту составит:

и - -И vt- -4 -VT i

Q

5

0

5

U. т

где UT - напряжение интегратора к

моменту времени Т; 1 - постоянная времени интегратора ;

величина опорного напряжения источника 4-, период исследуемого сигнала.

В момент времени t (фиг.2 U, 1Г5) первый такт интегрирования заканчивается. В этот момент времени управляющее устройство 3 вырабатывает сигнал , закрывающий ключ 6 (фиг.2 U, ) и открывающий ключ 7 (фиг.2 U4). fta- чинается второй такт интегрирования. На вход интегратора подается напряжение Ua с источника 5 с полярностью, противоположной U . К этому моменту

5

времени t, (фиг.2), причем t., Т+J

выходное напряжение интегратора составит: -t,,

U

инт г

и

-

dt

v,

(2)

- Ј (т +лО,

гле UuHT1 напряжение интегратора

после первого тактаj Л t интервал времени, соответствующий фазовому сдвигу л (f

При повторном поступлении на первый вход управляющего устройства 3 импульса с выхода формирующего устройства 1, устройство 3 на выходе 5 вырабатывает импульс, разрешающий зпись напряжения ииНТ/2 в блок 12 выборки-хранения, которое (иинтг)к этому моменту составит (фиг.2 U6):

U

инт 2

U

1

1Т

ИНТ1

(-U,)dt

UMHT1 +-U2-Ј(2-T - t,)

,

(Т + dO-U. 2Т -dt )

- i-OV (Т + A t) - U2(T- dt)

I/

с учетом того, что /U., / |-U2 |:

U

пит 2

- и,

2

По окончании записи управляющее устройство 3 вырабатывает импульс (фиг.2 Ug), замыкающий ключ 8, производя тем самым сброс интегратора. После того, как сброс интегратора произведен, управляющее устройство 3 на выходе 6 вырабатывает короткий импульс, обнуляющий показания счетчика 18 и производя запуск преобразований третьего и четвертого тактов интегрирования.

В начале третьего такта блок 19 управления открывает электронный ключ 9 (фиг.2 U,Q), вырабатывает на выходе 3 сигнал, переводящий счетчик 18 в режим сложения и на вход интегратора 13 поступает напряжение с инвертирующего усилителя 15. В этот же момент времени открывается временной селектор 17 и на вход счетчика 18 разрешается прохождение счетных им- пульсов с генератора 16 (фиг.2 IL).

Jt

В момент времени

Ц , коп .2 ),

а

10

когда счетчик

17 переполнится (фиг.2 U , третий такт закончится и интегратор 13 зарядится до напряжения UMHT3

1 t«

иинтЗ J U

,(5)

- Ј. ииНТ7 4 Ч /

ГДе Ц

ИНТ 2

-K-dt

15

интз

-ь

выходное напряжение интегратора после третьего такта;

коэффициент передачи инвертирующего усилителя 15;1 интервал времени, в течение которого осуществляется интегрирование

U

UHT 2

(фиг.2 U5).

20 Знак - под знаком интеграла равенства (5) показывает, что усилитель 18 инвертирует сигнал.

С началом четвертого такта интегрирования (замкнут электронный ключ

25 Ю) напряжение UT с выхода блока 12 выборки-хранения. Конденсатор интегратора разряжается и в момент, когда выходное напряжение станет равным

нулю (и

Инт 3

+ и

ИНТ 4

. 40 0), на выходе

( I 1 1 . VI I 1 | I

Зо компаратора 1ч вырабатывается импульс, поступающий на второй вход блока 19 управления (фиг.2 U13). Последним на выходе k вырабатывается импульс, запрещающий прохождение счетных импульсов с генератора 16 через

35 селектор 17 на вход счетчика 18 (фиг.2 U14).

Таким образом:

0

иИНт4UWHT з- 1 t5 1 . - Ји

4 Зная, что временные интервалы t4

заполняются счетными импульсами

(6)

5

генератора

0

ц v 16 с частотой f

t - No

t3 - f0

r. .& ,

6(7)

(8)

где N , N - число импульсов соответственно в третьем и четвертом тактах интегрирования.

Решая уравнение (5) относительно

чt4), получим

(t

/

- t ) - -ft - t ) У-и-н к

f - t4; - U4 t3; и к

(9) четом (1) и (4), (7), (8):

С учетом N

-K-N0- -VK 2d(f(10)

где utP- измеряемый Лазовый сдвиг.

Выбирая значение NO кратным 18, можно получить отсчет непосредственно в градусах.

При измерении углов cf , больших 180°, в четвертом такте счетчик 18 импульсов переполняется и вырабатывает импульс, поступающий на третий вход блока 19 управления.Последний переводит счетчик 18 в режиме вычитания и в счетчике импульсов будет , фиксироваться а число Nq,, соответствующее фазовому сдвигу с учетом знака разности фаз.

ная неидеальностью интегратора и конечным временем переключения ключа| - расширяются функциональные воз- , ц можности фазометра - появляется возможность отсчета значения сдвига фаз с учетом знака, т.е. появляется возможность в определении сдвига фаз, а следовательно - измерение фазы в

JQ больших пределах.

На фиг. 3 и фиг.4 приведены примеры выполнения узлов 3 и 18 соответственно. Управляющее устройство (фиг.З) содержит: генератор 1 пусковых им15 пульсов, 1К-триггер 2, D-триггер 3, дифференцирующие цепочки 4, 6, 9, С-триггер 5, одновибратор 7, инвертор 8. Блок управления (фиг.4) содержит: RS-триггеры 1 и 2, С-триггер 3,

20 элемент И k.

Формула изобретения

Нелинейность выходного напряжения, возникающая.в момент начала единичного воздействия на входе интегратора (фиг.2 - U5 начало первого и второго тактов) порождает высокочастотную погрешность интегрирования, возникающей, если время интегрирования 4t соответствующее фазовому

сдвигу Л Ц1, соизмеримо с постоянной времени - (где -Ј,,- постоянная времени

К т

усилителя интегратора, К - коэффициент усиления усилителя). Такой случай возможен при измерении малых значений 4If. В предлагаемом устройстве за счет интегрирования на интервалах от 0 до Т + t и от Т + 4t до 2Т такая нелинейность возникает дважды и носит противоположный знак, за счет чего к окончанию интегрирования второго такта, компенсируется.

Следует отметить, что погрешностью, возникающей в первом такте при преобразовании Т, в силу малости ее порядка можно пренебречь.

Таким образом, формирование последовательностей импульсов с длительностями T + 4tMT-4t, которые в последующем преобразуются в постоянные напряжения и обрабатываются в блоке деления, позволяет обеспечить следующий положительный эффект, приводимый в сравнении с прототипом:

- исключается погрешность преобразования ди в напряжение, обусловленФормула изобретения

Низкочастотный цифровой фазометр,

содержащий два формирователя, четыре электронных ключа, управляющее устройство, генератор импульсов, временной селектор, счетчик, первый источник опорного напряжения, интегратор, компаратор, два блока выборки- хранения и инвертирующий усилитель, при этом входы формирователей являются входами фазометра, выход первого источника опорного напряжения

подключен к входу первого электронного ключа, выход которого подключен к входам интегратора и третьего электронного ключа, к выходам второго и четвертого электронных ключей, выход интегратора соединен с входами компаратора и блоков выборки-хранения, а также с выходом третьего электронного ключа, выход первого блока выборки-хранения через инвертирующий

усилитель подключен к входу второго электронного ключа, выход второго блока выборки-хранения подключен к входу четвертого электронного ключа, первый, третий, четвертый и пятый

выходы управляющего устройства подключены соответственно к управляющим входам первого и третьего электрон--, ных ключей, первого и второго блоков выборки-хранения, генератор импульсов через временной селектор подключен к входу счетчика импульсов, о т- личающийся тем, что, с целью уменьшения погрешности при измерении малых углов сдвига фаз, в него

Использование: фазоизмерительная техника, измерение угла сдвига фаз между двумя гармоническими колебаниями в области низких частот. Сущность изобретения: устройство содержит: 2 формирующих устройства 1, 2, 1 управляющее устройство 3, 2 источника опорных напряжений 4, 5, 5 электронных ключей 6-10, 2 блока выборки-хранения 11, 12, 1 интегратор 13, 1 компаратор 14, 1 инвертирующий усилитель 15, 1 генератор счетных импульсов 16, 1 временной селектор 17, 1 реверсивный счетчик 18, 1 блок управления АЦП 19, Ц ил.