ЦИФРОВОЙ ФАЗОМЕТР Советский патент 1973 года по МПК G01R25/06 

Известен цифровой фазометр, содержащий два множительных устройства, подключенных через .реверсивные счетчики к цифровому логометру, и блок управления.

Цель изобретения - повышение точности измерения сдвигов фаз основных гармоник исследуемых сигналов в диапазоне инфранизки с частот.

Предлатаемый фазометр отличается от известных тем, что в нем входы каждого из множительных устройств подключены к выходам двух преобразователей аналог - код, реверсивные счетчики соеДИнены поразрядно блоком переноса, а к выходу цифрового логометра подключен дискретиый выключатель фазы.

Пусть сигналы (долустим, два напряжения Ui(t), V-i(t), между которыми измеряется фазовый сдвиг, изменяются по следующим за1кона.м:

l(0 m,Sin(coi),

U(t) (,(1)

где ч - измеряемый фазовый сдвиг;

I - начальная фаза.

. Преобразуем напряжение li(t) в точках «/,- и нап|ряжение Uz (t) в точках () в числовые эквиваленты, причем квантование напряжений осуществим равномерно по периоду, т. е.

2

i, -i, Пш

где п - число точек квантования,

- постоянный фазовый сдвиг, выбираемый из условия у9 - .

Сумма произведений мгновенных значений напряжений C/i((u,-) и (wt - р) составит

N i UmiVm Sin((uti -f ф)51П (u)/+ ф

,, ,, «-1

- р -f ср) cos (ср- р)-со8(2ш/

I -г

+ 2Ф + СР-Р)

или

Л «l/iVa cos (ср - Р) - 2 ( +

+ 2ф + ср - р).

При п 2 второе слагаемое в этом выражении 0(бращается в нуль, тогда

// rtViF.,cos(cp-p).(2)

В результате квантования напряжения lj(t) по уровню при двух значениях угл ;9, например / ;и /За, т. е. в точках (() (uitf- 2), и умножения полученных мгновен ных значений на мгновенные значения напря жения ./ifw/ij согласно выражениям (1) и (2 N, nV,V,o(f-,) «Vil/,cos(T-p,). Если углы Р выбрать, как это сделано тсЛ 1, равными fti Q и , то tgc : , N, иср - arc tg . При выполнении условия р :: - N1 v7Tlv; etg , - ±1., SV-N.-N, N + N р arc tg N,-N . T-arcctg -iВ описываемом фазометре вычисляется угол в arc tg N,+N, Q. IN + N, e arcctg,lИскомый фазовый, сдвиг связан с углом 9 следующим образом: при О ср -ср 180° -в. при -о- Р -Ci . 3i при тс - (р -- ср -(180°-е). ср- -в. - На чертеже приведена блок-схема фазометра.: В состав фазометра входят преобразователи аналог-кад / и, 2, блок управления 3, множительные устройства 4 и 5, реверсивные (интегрирующие) счетчики , блок переноса 8, цифровой логометр 9, вычислитель фазы 10, состоящий из делителя частоты 11 с переменным коэффициентом деления, регистрирующего счетчика фазы 12 и коммутатора 13. Пусть иа входы фазом1етра подаиы сигналы: на вход / - напрЯ1жение f/i(w), а на вход // - напряжение 62(ад/). Эти сигналы .поступают одновременно на преобразователи аналог-код / и 2 и блок управления 3. Преобразователи / и 2 преобразуют мгновенные значения исследуемых сигналов в цифровой код в точках квантования и ы(.1±,в соответственно. Импульсные входы преобразователей, по которым происходит их запуск, подключены к выходам блока управления 5, задающего как число точек, так и моменты преобразования. Выходы множительных устройств 4 и 5 подключены ,ко входам реверсивных счетчиков 6 н 7. Последние поразрядно соединены между собой блоком переноса 8, подключены к выходам блока управления 3, по кото-рым поступают сигналы для задания режимов их работы (на суммирование или вычитание), и ко входам цифрового логометра 9. Выход логометра соединен с одним из выходов вычислителя фазы 10. Другой вход вычислителя фазы и импульсный вход блока переноса 5 подключены к выходам блока управления 5. Работа фазометра заключается в следующе.м. Исследуемые сигналы /(«/) и /2 («О поступают на входы преобразователей / и 2 и на блок управления 3. Блок управления формирует и.мпульсы запуска преобразователей. Числовые эквиваленты мгновенных значений напряжений f/i, () и t/2 (ti-/8) поступают «а (Множительное устройство 4, ачмгновенных значений иатряжений t/j ((ti) и U2(ti+P) - на множительное устройство 5. Импульсы с выходов множительных устройств записываются в реверсивные счетчики 5 и 7 соответственно с учетом знаков произведений; при этом режим ,работы счетчиков (суммирование или вычитание) задается блоком управления 3. В результате сложения п произведе-. НИИ счетчяжи б и 7 фи К1СИ1руют вел-ичины NI и Л , соответственно. На этом преобразование мгновенных значений исследуемых сигналов прекращается, а по сигналу с блока управления 5 на блок переноса 8 показания счетчиков 5 и 7 взаимно переносятся параллельным кодом. При этом показания в одном счетчике складываются, а в другом - вычитаются. Затем импульсы из счетчиков выводят и подают на цифровой логометр 9, где получают N, + N, NI-N. отношение N, - N, N,+N. Вычислитель фазы 10, на вход .которого поступают импульсы с выхода цифрового логометра 9, реализует одно из этих отношений. Вычисление фазы основано на кусочно-лиeuHOii аппроксимации функции tgO. Колиество линейных участков аппроксимации и их угловые коэффициенты определяются макимальной погрешностью аппроксимации Дв„)„„, : (й0а)т«л- arctgYki - - e,iYki- -ig&i-iгде ki-угловой коэффициент лиоейных УЧ ас тк ов аопр аксим а:ци1И; 9( - знамение аргумента ;в ззле астпраксимациИ. OpM-eiiHiM, что функция тангенса достаточно линейна в шределах от О до 45°, а затем линейность сильно ухудшаетх;я и для ее ainmpoкс«1мации в предела Х от 45° до 90° с погрешностью (Qa.max лотрвбовалось бы значитбльно больше участков. Кроме того, в точке 0 90° « близких К ней возникает неацределенность. Поэтому целесообразно tg в при 45° 0 90° заменить функцией tga.tg (90° -e):ctg 0. Топдаа 90° - 0 9 90° - а. Это обстоятельство учитывается в предлагае.моМ фазо-метре следующим образом. Если (p)-j-, то .показания счетчика 7 переносятся в счетчик 6 iHa вычитание, а чтоказа-ния счетчика 6 в счетчик 7 ,на сложение и логаметром 9 вычисляется tg0. Если нее д-, по.ка за1Н1ия переносятся так: в счетчик б -на сложе1ние, в счетчик 7 - на вьтитание. Таким образом в об.оих случаях вычисляется функция тангенса, заданная в числовой форме, Путем сраинения ее с эталолиой мерой 4tg0, которая соответствует при лииейном (ПрИбли(жен;и1И олределеяиому значению аргумента О. Наиболее удобным оказалось воспроизведание эталонной . с по-мощью делителя частоты. Величина каэф;фициеята деления g/ делителя частоты .на каждом из участков определяется допустимой погрешностью дискретиасти в и выбирается из условия:tge,-tge/, . По/Коэффициент деления g; в узлах аппроксимации должен из1М1еняться автоматичес1к«. При вычислении фазы в предлагаемом фазометре ишпульсы с выхода цифрового логометра 9 поступают на вход делителя частоты // с пере-менны.м коэ.ффицие.нтом деления и дальше на счетчик фазы 12. Коэффициенты делания делителя 11 иэменяются счетчиком 12 через коммутатор 13. Для вычисления фазы с .погрешностью аппраксимации 30 достаточно взять три участка, а с погрешностью 10 - семь участков. Приближениое значение фазы, найденное с помош1ью вычисл;ителя 10, определяется выражением: Vtg0-tg0,, где tg в и 0 - приближеиные .значения функци и и аргумента при линейной аппро1ксимации. При этом если |ср -j- -, то в АА. Т arctg если .же N, + N, . 01 90° -arctg N. + N., Следовательно, во втором сл.учае (при |ср -- в счетчиж фазы 12 необходимо ввести на вычитание число, равное 90, что осуществляется блоком управления .3. ЕСЛИ фазовый сдвиг находится .в пределах -у -С-п-1 им/пульс, с блака управления 3 вводит в счетчик 12 на вычитание число, соответствующее 180°. При --„- 9 -п .показания счетчика фазы пропорционалыны абсолютной величине фазового сдвига ср, а знак фазового сдвига определяется блоком управления 5. Предмет и.з обретения Цифровой фазометр, садер1жащий два множительных устройства, подключенных через реверсивные счетчики к цифровому логометру, .и блок управления, отличающийся тем, что, с целью повышения точности из мерения сдвигов фаз оанавных гармоник исследуеимых сигналов в диапа.зоне инфранизких частот, в него введены два преобразователя аналог - код, блок .nepeiHoca кода реверсивных счетчиков и диск1ретный вычислитель фазы, причем выходы преобразователей аналог - код подключены ко входам хмножительных устройств, реверсивные счетчики соединены поразрядно блоком пе.реноса, а к выходу цифрового лого.метра подключен дискретный вычислитель фазы.