Устройство для измерения сдвига фаз двух сигналов Советский патент 1979 года по МПК G01R25/00 

1

Изобретение относится к автоматике и контрольно-измерительной технике, может б1з1ть использовано в измерительной аппаратуре, самонастраивающихся системах, фазовых системах управления для исследования систем автоматического регулирования частотными методами.

Известны устройства для измерения фазового сдвига сигналов, построенные на схемах с промежуточным преобразованием фазового сдвига во временной интервал I.

Недостатки этого устройства - низкая точность измерения и малое быстродействие.

Наиболее близко к предлагаемому устройство для измерения и запоминания сдвига фаз двух сигналов, содержащее измерительный блок, выход которого соединен с первым входом блока считывания, вторые входы которого соединены с выходами первого триггера, формирующий блок, первый выход которого через первый ключ соединен с первым входом первого триггера, с первым входом второго и третьего ключей и через четвертый ключ - с общим входом второго триггера, выход которого соединен с первым входом измерительного блока, вторыми входами первого и четвертого ключей и через

первый формирователь импульсов - со вторым входом измерительного блока и с первым входом третьего триггера, выходы которого соединены с третьим и четвертым в.чодами измерительного блока, два диода и второй формирователь импульсов 2.

У этого устройства ограниченное быстродействие, так как фазовый сдвиг измеряется один раз за период - в первый полупериод, контроль фазового сдвига происходит лигнь в первый полупериод следующего периода. Ирименение в качестве ключей электромеханических реле существенно ограничивает частотный диапазон контролируемых сигналов и точность измерения.

Цель изобретения - повышение быстродействия и точности устройства.

5

Достигается эта цель тем, что в устройство для измерения сдвига фаз двух сигналов, содержащее измерительный блок, выход которого соединен с первым входом блока считывания, вторые входы которого соединены с выходами первого триггера, форми0рующий блок, первый выход которого через первый ключ соединен с первым входом второго и третьего ключей и через четвертый ключ - с общим входом второго триггера. ВЫХОД которого соединен с первым входом измерительного блока и вторыми входами первого и четвертого ключей и через первый .формирователь импульсов - со вторым входом измерительного блока и с первым входом третьего триггера, выходы которого соединены с третьим и четвертым входами измерительного блока, два диода и второй формирователь импульсов, введен четвертый триггер, причем второй выход формирующего блока через диод, включенный в прямом направлении, соединен с входом второго триггера и через второй диод, включенный в обратном направлении, - с выходом третьего ключа и общим входом четвертого триггера, выход которого соединен с пятым входом измерительного блока, со вторыми входами третьего и второго ключей; выход последнего связан со вторым входом первого триггера, а выход второго формирователя импульсов - со вторым входом третьего триггера и с щестым входом измерительного блока. На фиг. 1 представлена функциональная электрическая схема устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие его работу. Устройство для измерения сдвига фаз двух сигналов содержит измерительный блок 1, блок считывания 2, триггер 3, формирующий блок 4, ключи 5-8, триггер 9, формирователи импульсов 10 и 11, триггер 12, диоды 13 и 14, триггер 15. Устройство работает следующим образом. Измеряемые сигналы Xt - опорный и Xi - контролируемый в виде напряжений, модулированных низкой частотой (400 1000Гц) подаются на формирующий блок 4, на выходе которого формируются ступенчатые напряжения, полярность которых соответствует полярности огибающих J/, Xz- При изменении полярности напряжений с положительной на отрицательную на выходах формирующего блока 4 формируются отрицательные импульсы, а при обратном изменении - положительные. В исходном положении состояние триггеров соответствует обозначенному на фиг. 2, т.е. на левых выходах триггеров сигнал отсутствует, и все ключи закрыты. Положим, сигнал Xi отстает от i (фиг. 2а). Устройство начинает работать в момент времени t О при изменении полярности огибающей сигнала Xt с минуса на плюс. Положительный импульс с формирующего блока 4 через диод 13 поступает на триггер 15, переводя его в состояние «1, в результате чего открываются ключи 6 и 7 и ключ 16 измерительного блока 1. Далее при изменении полярности огибающей напряжения Хг на выходе формирующего блока 4 формируется .положительный импульс, который через открытый ключ 6 проходит на один вход триггера знака 3, в данном случае не изменяя его состояние. Если «1 на правом выходе триггера 3, это значит, что сигнал Хг отстает от Al, а если «1 - на левом, то Хг опережает Х{ . Положительный импульс с формирующего блока 4, проходя через открытый ключ. 7, возвращает триггер 15 в исходное состояние, в результате чего закрываются ключи 6 и 7 и ключ 16 измерительного блока 1. При закрытии ключа 16 прекращается заряд конденсатора 17 измерительного блока. Постоянную времени цепи заряда Т RC выбирают такой, чтобы на рабочей частоте в пределах промежутка времени, соответствующего фазовому сдвигу 180°, напряжение на конденсаторе нарастало линейно. При измерении фазового сдвига сигналов он преобразуется во временной интервал (время открытия ключа 16), а временной интервал - в напряжение. Таким образом, при закрытии ключа 16 напряжение на конденсаторе 17 измерительного блока 1 соответствует фазовому сдвигу сигналов XtX , а знак фазового сдвига определяется состоянием триггера 3. Одновременно с возвратом триггера 15 в исходное состояние на выходе формирователя импульсов 11 формируется положительный импульс, в результате чего изменяется состояние триггера 10 - на левом выходе устанавливается «1 и тем самым измерительный конденсатор 17 подключается ко входу блока считывания 2. Напряжение на выходе блока считывания 2, имеющего больщое входное сопротивление, пропорционально напряжению на измерительном конденсаторе 17, т. е. фазовому сдвигу измеряемых сигналов, а его полярность (или фаза несущей частоты, если выход - по переменному току), определяется состоянием триггера 3 и в данном случае отрицательна. Входное сопротивление блока считывания 2 выбирают высоким из условия требуемой точности преобразования сигнала: относительное падение напряжения на конденсаторе за время считывания не должно превьинать требуемой относительной точности измерения фазового сдвига. В следующий полупериод измерения опорного сигнала на выходе формирующего блока 4 формируется отрицательный импульс, который, нроходя через диод 14, изменяет состояние триггера 9, в результате чего срабатывают ключи 17, 5, 8. Ключ 18 подключает конденсатор 19 на заряд. Далее при изменении полярности сигнала Хг с плюса на минус на выходе формирующего блока 4 формируется отрицательный импульс, который, проходя через открытый ключ 5 на левый вход триггера 3, не изменяет его состояния, из чего следует,что Хг. остает от Xi и, проходя через открытый ключ 8, возвращает триггер 9 в исходное состояние, в результате чего закрываются ключи 5, 8, 18. При закрытии ключа 18 прекращается заряд конденсатора 19 измерительного блока, напряжение на котором пропорционально фазовому сдвигу. При возвращении триггера 9 в исходное («О) состояние на выходе формирователя 10 формируется положительный импульс, который щунтирует конденсатор 17 на общую шину, вызывая его разряд, и изменяет состояние триггера 12 («1 на правом выходе), тем самым подключая конденсатор 19 на считывание. Таким образом происходит поочередный заряд измерительных конденсаторов 17, 19 и считывание с них: с начала первого (нечетного) полупериода - заряд конденсатора 17; в момент окончания измерения этот конденсатор подключается на считывание, а другой подготавливается к работе - с него происходит сброс напряжения; с начала следующего (четного) полупериода второй конденсатор подключается на заряд, затем на считывание и т.д. Полярность (или фаза несущей частоты) выходного напряжения блока считывания 2 указывает на отставание или опережение сигнала Xj относительно Xt и определяется состоянием триггера 3. Положим теперь, что сигнал Хг опережает Х{ (фиг. 26). При изменении полярности огибающей сигнала Х с минуса на плюс положительный импульс с формирующего блока 4 изменяет состояние триггера 15 на «1. При этом срабатывают ключи 6, 7, 16; ключ 16 подключает конденсатор 17 на заряд. При изменении полярности огибающей напряжения Xz, в данном случае с плюса на минус, на выходе формирующего блока 4 формируется отрицательный импульс, который, проходя через открытый ключ 6 изменяет состояние триггера 3 знака. На левом его выходе оказывается «1, на право.м «О, из чего следует, что сигнал Хг опережает Х . Соответственно изменяется полярность или фаза выходного напряжения блока считывания 2. В остальном схема работает описанным образом. Во второй полупериод на триггер 3 знака при неизменном порядке следования сигналов поступает положительный импульс, но уже через ключ 5 на левый вход, и не изменяет его состояния. Если порядок следования сигналов изменился, т. е. Хг отстает от Xi, во второй полупериод через ключ 5 на левый вход триггера 3 поступает отрицательный импульс и на левом его выходе оказывается «О, на правом - «1, из чего следует, что Хг. отстает от Xi, и соответственно изменяется полярность (или фаза несущей частоты) выходного напряжения схемы считывания. Таким образом, триггер 15 подключает через ключи на заряд конденсатор 17 в нечетные полупериоды, а триггер 9 - конденсатор 19 в четные полупериоды. При размыкании цепи заряда заряженный конденсатор подключается на считывание, а другой конденсатор подготавливается к заряду: с него производится сброс напряжения. Знак фазового сдвига определяется состоянием триггера 3 и полярностью импульсов формирующего блока 4, поступающих через ключи 5 и 6, управляемые триггерами 15 и 9. Таким образом, по сравнению с известными предлагаемое устройство для измерения и запоминания сдвига фаз двух сигналов имеет следующие преимущества: 1)повыщенные быстродействие и точность (в два раза), так как сигнал измеряется в каждый полупериод, а не один раз за период. 2)больщий частотный диапазон измеряемых сигналов благодаря применению в качестве ключей на электромеханических реле, а электрических ключей - на интегральных микросхемах. Формула изобретения Устройство для измерения сдвига фаз двух сигналов, содержащее измерительный блок, выход которого соединен с первым входом блока считывания, вторые входы которого соединены с выходами первого триггера, формирующий блок, первый выход которого через первый ключ соединен с первым входом второго и третьего ключей и через четвертый ключ - с общим входом второго триггера, выход которого соединен с первым входом измерительного блока и вторыми входами первого и четвертого ключей и через первый формирователь импульсов - со вторым входом измерительного блока и с первым входом третьего триггера, выходы которого соединены с третьим и четвертым входами измерительного блока, два диода и второй формирователь импульсов, отличающееся тем, что, с целью повышения быстродействия и точности, в него введен четвертый триггер, причем второй выход формирующего блока через диод, включенный в прямом направлении, соединен со входом второго триггера и через второй диод, включенный в обратном направлении, - с выходом третьего ключа и общим входом четвертого триггера, выход которого соединен с пятым входом измерительного блока, со вторыми входами третьего и второго ключей; выход последнего связан со вторым входом первого триггера, а выход второго формирователя импульсов - со вторым входом третьего триггера и с щестым входом измерительного блока. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 240840, G 01 R 25/00, 1962. 2.Авторское свидетельство СССР № 332443, G 01 R 25/00, 1972.

Г

, р . Т .

Ш

НМ5