ЦИФРОВОЙ АВТОМАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗАТОР ГАРМОНИК Советский патент 1968 года по МПК G05B23/02 

Известны цифровые анализаторы гармоник, позволяющие автоматически измерять амплитуду и сдвиг фазы на выходе объекта управления. Они содержат преобразователь аналог-код с высокочастотным генератором, два вспомогательных и два выходных счетчика с вентилями переноса, реверсивный счетчик амплитуд и счетчик фаз, блок управления с линией задержки, два множительных устройства, генератор тактовых импульсов с вентилем, триггеры и логические схемы «И» и «ИЛИ».

В предлагаемом анализаторе установлен шифратор ортогональных функций, и входы множительных устройств вместе со входами вспомогательных счетчиков, включенных через вентили переноса параллельно выходным счетчикам, подсоединены через вентили, открываемые триггерами управления вспомогательных счетчиков к высокочастотному генератору преобразователя аналог-код, а выходы множительных устройств подключены ко входу реверсивного счетчика амплитуды, соединенного через триггер знака с шифратором, через триггер пуска - с триггерами знака выходных счетчиков и через вентиль тактового генератора - со входом счетчика фазы, который объединен с одним из входов шифратора, причем, управляемый вход вентиля тактового генератора подключен ко второму выходу триггера пуска, связанному через линию задержки с блоком управления.

Такое устройство позволяет существенно повысить быстродействие и точность работы.

На фиг. 1 изображена блок-схема анализатора гармоник с развернутой блок-схемой вычислителя амплитуды и фазы гармоник; на фиг. 2 - векторная диаграмма, поясняющая принцип вычисления фазы.

Анализатор содержит генератор 1 синусоидальных колебаний инфранизкой частоты, преобразователь аналог-код 2, множительные устройства 3 и 4, счетчик 5 постоянной составляющей и счетчики 6, 7 коэффициентов, блок управления 8, вспомогательные счетчики 9 и 10, счетчики 11 и 12 амплитуды и фазы, триггеры T₁-Т₈, вентили В₁-В₇, логические схемы «И»₁-«И»₈ и «ИЛИ»₁-«ИЛИ»₇, схему запрета «НЕ», линии задержки ЛЗ₁ и ЛЗ₂, усилитель 13, реле Р₁ и Р₂, генератор 14 тактовых импульсов, исследуемый объект 15 и шифратор 16, относящийся к блоку управления.

Шифратор ортогональных функций выполнен на 90 значений функций sinα и cosα через 1° в пределах от 0 до 90°, в которых угол α изменяется независимо от номера квадранта.

При пересчете со счетчиков 6, 7 коэффициентов В_к и С_к в амплитуды А_к и фазы ψ_к гармоник используются все 90 значений sinα и cosα, в то время как на первом этапе при измерении коэффициентов В_к и С_к необходимо только 8 значений на четверть периода.

При измерении коэффициентов В_к и С_к входы множительных устройств 3 и 4 через нормально замкнутые контакты подключены к выходу преобразователя, а выходы блоков 3 и 4 через нормально замкнутые контакты подключены соответственно к счетчикам 6 и 7. В счетчиках 6 и 7 записываются числа, пропорциональные коэффициенты В_к и С_к, причем, если В_к>0 и С_к>0, то они записываются в счетчиках 6 и 7 в прямом коде, если же В_к<0 и С_к<0, - в дополнительном коде. Знаки коэффициентов В_к и С_к указываются триггерами знака Т₃ и Т₄, включенными на выходах соответствующих счетчиков 6 и 7. После окончания периода измерения коэффициентов В_к и С_к с одного из триггеров блока управления подается сигнал на срабатывание реле P₁ и через линию задержки ЛЗ₂, рассчитанную на время срабатывания реле, - на триггер пуска Т₆. При срабатывании реле P₁ (контакты перебрасываются в положение а) входы множительных устройств 3 и 4 через нормально, разомкнутые контакты подключаются к схемам «ИЛИ»₁ и «ИЛИ»₂ соответственно, а выходы - нормально разомкнутыми контактами подсоединяются через схему «ИЛИ»₃ ко входу реверсивного счетчика 11. От триггера Т₆ через усилитель 13 срабатывает реле Р₂ (его контакты перебрасываются в положение а) и открывается вентиль В₇. При этом импульсы с генератора 14 поступают на шифратор 16 блока управления для задания значений sinα и cosα и через схему «ИЛИ»₄, с одной стороны, на сброс показаний счетчика 11 и перенос показаний счетчиков 6 и 7 в счетчики 9 и 10 соответственно, а, с другой стороны, через линию задержки ЛЗ₁ - на управляющий триггер Т₁. Перенос чисел из счетчиков 6 и 7 в счетчики 9 и 10 осуществляется в зависимости от положения триггеров знака Т₃ и Т₄: через группы вентилей В₃ при В_к>0 или вентилей B₄ при В_к<0, а также вентилей В₅ при С_к>0 или вентилей В₆ при С_к<0. Количество вентилей в каждой группе равно числу триггерных ячеек в счетчиках. В результате числа В_к и С_к записываются в счетчиках 9 и 10 всегда в прямом коде, а индикация знака коэффициентов осуществляется триггерами Т₃ и T₄. Кроме того, импульсом генератора 14 триггер реверса Т₅ устанавливается в положение, соответствующее работе реверсивного счетчика 11 на суммирование.

Триггер T₁ срабатывает от выходного импульса линии задержки ЛЗ₁, рассчитанной на время срабатывания реле Р₂, и открывает вентиль B₁, через который импульсы с высокочастотного генератора преобразователя аналог-код 2 поступают на счетчик 9 и через нормально разомкнутый контакт схему «ИЛИ»₁ и нормально разомкнутый контакт на множительное устройство 3. Счетчик 9 работает на вычитание, и как только он устанавливается в нулевое состояние, срабатывает схема «И»₁ и возвращает триггер Т₁ в исходное состояние, закрывая вентиль В₁.

Число импульсов, поступающих через вентиль B₁ на множительное устройство 3, равно числу импульсов, списанному со счетчика 9, т.е. коэффициенту В_к. На потенциальные входы множительного устройства 3 с шифратора 16 подается код sinα, в результате на выходе его получаем число импульсов, равное произведению (В_к) sinα, которое через схему «ИЛИ»₃ поступает на реверсивный счетчик 11, работающий на суммирование.

Выходным импульсом триггера Т₁ через нормально разомкнутый контакт перебрасывается триггер реверса Т₅, переключая счетчик 11 в режим вычитания, и триггер управления Т₂, открывающий вентиль В₂. Аналогично предыдущему со счетчика 10 списывается, а в множительное устройство 4 вводится число импульсов, равное С_к. Когда счетчик 10 устанавливается в нулевое положение, на выходе схемы «И»₂ появляется импульс, возвращающий триггер Т₂ в исходное состояние, закрывая вентиль В₂. Так как на потенциальные входы множительного устройства 4 с шифратора 16 подается код cosα, то за время открытого состояния вентиля В₂ с выхода блока 4 через нормально разомкнутый контакт и схему «ИЛИ»₃ на счетчик 11, работающий в режиме вычитания, поступает число импульсов, пропорциональное произведению (С_к) cosα. В результате в счетчик 11 будет записано число

у′=(В_к)sinα-(С_к)cosα.

От знака у′ зависит состояние триггера знака Т₇, управляющего режимом работы шифратора.

Так как углы α и ψ_к связаны, то для автоматического определения фазы ψ_к по углу α в счетчик фазы 12 необходимо предварительно вводить начальный угол ψ_{к нач}, определяемый из соотношений ψ_{к нач}=0 для I квадранта; ψ_{к нач}=π для II и III квадрантов; ψ_{к нач}=2π для IV квадранта, тогда ψ_к=ψ_{к нач}±α.

Но в этом случае может получиться, что для определения амплитуд и фаз гармоник необходимо будет произвести до 90 циклов пересчета при дискретности изменения угла α=1°. Для ускорения процесса нахождения угла α вычисление амплитуды и фазы гармоник начинается с угла α_нач=45°. При этом число циклов пересчета при той же дискретности изменения угла α сокращается вдвое, так как угол α теперь изменяется в пределах либо от 45 до 0°, либо от 45 до 90°. Теперь изменяется и начальные значения угла ψ_к, которые предварительно необходимо вводить в счетчик фазы 12. В этом случае они будут иметь следующие значения: ψ_{к нач I}=45° для I квадранта; ψ_{к нач II}=135° для II квадранта; ψ_{к нач III}=225° для III квадранта; ψ_{к нач IV}=315° для IV квадранта.

Ввод ψ_{к нач} осуществляется следующим образом. Импульсом сброса из блока управления 8 в счетчик 12 вводится значение ψ_{к нач}=45°, соответствующее нахождению вектора амплитуды гармоники в I квадранте. Если же в процессе измерения коэффициентов В_к и С_к окажется, что вектор амплитуды находится во II, III или IV квадрантах, то появляется сигнал соответственно на выходе одной из схем «И»₆, «И»₅ или «И»₄, и в счетчик 12 будет введено через схему «ИЛИ»₆ соответствующее значение ψ_{к нач}=135, 225 или 315°.

Схема управления счетчиком фазы 12 и шифратором 16 составлена из расчета, что режимы работы счетчика 12 и шифратора 16 не всегда совпадают. Причем во всех случаях, если у′>0, то угол α необходимо уменьшать, и если y′<0, то α нужно увеличивать. Поэтому шифратором можно управлять непосредственно от триггера Т₇. Счетчик 12 должен работать по-разному в зависимости от квадранта, в котором находится амплитуда гармоники, при одном и том же направлении изменения угла α (см. фиг. 2). Если амплитуда к-той гармоники находится во II квадранте, то при увеличении α_1к фаза ψ_1к будет уменьшаться. Если амплитуда той же к-той гармоники находится в III квадранте, то при увеличении α_2к фаза ψ_2к будет увеличиваться.

Режимы работы счетчика фазы 12 при нахождении вектора амплитуды в I и III и во II и IV квадрантах совершенно одинаковы. Для упрощения схемы управления вычислителя амплитуды и фазы импульсом сброса из блока управления 8 триггер Т₈ устанавливается в исходное состояние, соответствующее работе счетчика 12 на вычитание. Если вектор амплитуды гармоники находится в I или III квадрантах и после первого тактового импульса окажется, что у′>0, или во II или IV квадрантах, но получится у′<0, то положение триггера Т₈ не изменяется, и счетчик 12 работает на вычитание. Если же вектор амплитуды находится во II и IV квадрантах, и окажется, что у′>0, то выходной импульс со схем «И»₆, или «И»₄ соответственно через схему «ИЛИ»₅ поступит на один из входов схемы «И»₇, на другой вход которой подается управляющий потенциал с выхода триггера знака Т₇. В результате через схему «ИЛИ»₇ триггер Т₈ перебросится в состояние, соответствующее работе счетчика 12 на суммирование. Аналогично происходит переключение счетчика 12 на суммирование при нахождении вектора амплитуды в I или III квадрантах и при условии у′<0, но в этом случае импульс на триггер T₈ через схему «ИЛИ»₇ поступает со схемы «И»₈, на один из входов которой подается сигнал со схемы «НЕ», а на другой вход - с выхода триггера Т₇, соответствующего у′<0.

Затем с выхода вентиля В₇ тактового генератора поступает следующий тактовый импульс на счетчик 12 и шифратор 16 для задания новых значений sinα и cosα, на сброс счетчика 11, на перенос показаний счетчиков 6 и 7 в счетчики 9 и 10 соответственно и дальше на срабатывание триггера Т₁ через линию задержки JIЗ₁. В дальнейшем работа схемы вычислителя полностью повторяется до тех пор, пока разность у′=(В_к)sinα-(С_к)cosα не станет меньше некоторого минимального наперед заданного значения. В этот момент на выходе схемы «И»₃ появится импульс, возвращающий триггер Т₆ в исходное состояние. Для исключения ложного срабатывания схемы «И»₃ в процессе работы счетчика 11 она по одному из входов соединена со схемой «И»₂, сигнализирующей о том, что процесс вычисления закончен, и схема вычислителя находится в статическом состоянии.

При возвращении триггера Т₆ в исходное состояние реле Р₂ обесточивается, вентиль В₇ закрывается, а через схему «ИЛИ»₄ поступает импульс еще на один цикл измерений, причем на шифратор 16 и счетчик 12 этот импульс не поступает, и они остаются в предыдущем состоянии, соответствующем найденному углу ψ_к. В этом случае работа схемы повторяется с некоторым отличием: число импульсов, равное коэффициенту В_к, теперь уже вводится через нормально замкнутый контакт схему «ИЛИ»₂ и нормально разомкнутый контакт в множительное устройство 4, на выходе которого получаем произведение (В_к) cosψ_к, так как на его потенциальные входы подается код (cosα)=(cosψ_к). Это произведение без учета знака записывается в счетчике 11 через нормально разомкнутый контакт и схему «ИЛИ»₃, а число импульсов, соответствующее коэффициенту С_к, через нормально замкнутый контакт схему «ИЛИ»₁ и нормально разомкнутый контакт поступает на множительное устройство 3, на потенциальные входы которого подается код (sinα)=(sinψ_к). Тогда на выходе множительного устройства 3 получаем произведение (С_к)sinψ_к, которое через нормально разомкнутый контакт и схему «ИЛИ»₃ записывается по модулю в реверсивный счетчик 11, работающий на суммирование, так как выходной импульс триггера Т₁ не поступит через нормально разомкнутый контакт на вход триггера Т₅ для переключения счетчика 11 в режим вычитания. По окончании процесса вычислений в счетчике 11 будет записано число, соответствующее амплитуде гармоники А_к, а в счетчике 12 число, равное фазе гармоники ψ_к.

Время пересчета коэффициентов В_к и С_к в амплитуды А_к и фазы ψ_к гармоник определяется быстродействием элементов, заданной точностью и выбранным алгоритмом работы прибора.

Цифровой автоматический анализатор гармоник, содержащий преобразователь аналог-код с высокочастотным генератором, два вспомогательных и два выходных счетчика с вентилями переноса, реверсивный счетчик амплитуд и счетчик фаз, блок управления с линией задержки, два множительных устройства, генератор тактовых импульсов с вентилем, триггеры и логические схемы «И» и «ИЛИ», отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия и точности, в нем установлен шифратор ортогональных функций, и входы множительных устройств вместе со входами вспомогательных счетчиков, включенных через вентили переноса параллельно выходным счетчикам, подсоединены через вентили, открываемые триггерами управления вспомогательных счетчиков, к высокочастотному генератору преобразователя аналог-код, а выходы множительных устройств подключены ко входу реверсивного счетчика амплитуды, соединенного через триггер знака с шифратором, через триггер пуска - с триггерами знака выходных счетчиков и через вентиль тактового генератора - со входом счетчика фазы, который объединен с одним из входов шифратора, причем управляемый вход вентиля тактового генератора подключен ко второму выходу триггера пуска, связанному через линию задержки с блоком управления.