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

Изобретение относится к фазоизмерительной технике и может быть использовано для измерения сдвига фаз между двумя гармоническими сигналами в условиях помех в радиотехнике и ман1иностроении при испытаниях конструкции на вибрацию.

Известно устройство аналогичного назначения, содержаи|се формирователи, триггеры, счетчики, ключ, генератор импульсов, элемент совпадения, вентиль и схему задержки 1.

Однако точность его измерения недостаточна.

Известно устройство для измерения малых фазовых сдвигов гармонических сигналов, содержащее ключи, интеграторы, нульорганы, элемент ИЛИ и задатчик времени, основанное на интегрировании каждого из исследуемых сигналов на двух временных участках и выделении в этом процессе временного интервала, пропорционального двойному фазовому сдвигу 2.

Однако устройство имеет недостаточную точность измерения.

Цель изобретения - повышение точности.

Цель достигается за счет того, что в устройство для измерения сдвига фаз, содержащем два интегратора, последовательно соединенные нуль-орган, логический блок и элемент ИЛИ, второй вход которого связан с выходом нуль-органа непосредственно, дополнительно введены формирователь сигнала, подключенные к выходу элемента ИЛИ последовательно соединенные кольцевой счетчик, одновибратор, выходной ключ и фильтр нижних частот, выход которого подключен к выходу устройства, а также шесть ключей, при этом первые входы первого и второго ключа соединены с выходом формирователя сигнала, вторые входы их связаны с первым и третьим выходами кольцевого счетчика, а выходы обоих ключей через соответствующие интеграторы подключены к первым входам третьего и четвертого ключей, вторые входы которых подключены к второму и первому выходам кольцевого счетчика, а выходы третьего и четвертого ключей соединены с вторым входом выходного ключа, первые входы пятого и шестого интеграторов подключены к входам соответствующих интеграторов, вторые входы упоминутых ключей - с выходами интеграторов, третий вход пятого ключа связан с третьим выходом кольцевого счетчика, а i peтий вход шестого ключа - с вторым выходом кольцевого счетчика. На фиг. 1 приведена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - временная диаграмма работы устройства. Схема устройства состоит из формирователя 1 сигнала, бесконтактных ключей 2-8, интеграторов 9, 10, фильтра 11 нижних частот, нуль-органа 12, логического блока, состоящего из схемы И-НЕ 13 и триггера 14, элемента ИЛИ 15, кольцевого счетчика 16 и одновибратора 17. На вход формирователя 1 поступает один из исследуемых сигналов, выход формирователя через ключи 2 и 5 подключен к входам интеграторов 9, 10, одновременно связанным с входами ключей 6 и 3, выходы интеграторов 9, 10 соединены соответственно с входами ключей 3 и 6 и входами ключей 7 и 4, выходы которых связаны между собой и подключены к входу ключа 8, выход ключа 8 соединен с входом фильтра 11 нижних частот, выход которого является выходом устройства, второй исследуемый сигнал подается на вход нуль-оргапа 12, выход которого одновременно подключен к входам схемы И-НЕ 13, триггера 14 и элемента ИЛИ 15, второй вход схемы И - НЕ 13 соединен с выходом триггера 14, а выход схемы И - НЕ 13 связан с вторым входом элемента ИЛИ 15, выход которого подключен к входу кольцевого счетчика 16, первый выход кольцевого счетчика 16 одновременно связан с управляющими входами ключей 3 и 5, второй выход кольцевого счетчика 16 одновременно подключен к управляюншм входам ключей 4 и 6 и первому входу одновибратора 17, третий выход кольцевого счетчика одновременно соединен с управляющими входами ключей 2 и 7 и вторым входом одновибратора 17, выход одновибратора 17 подключен к управляющему входу ключа 8. Работа предлагаемого устройства состоит в интегрировании в течение полупериода усиленного и ограниченного формирователя сигнала, фаза которого принимается за неизвестную, и осреднения в течение периода сигнала импульсов с длительностью а, которая не зависит от периода сигнала, и амплитудой, равной интегралу усиленного и ограниченного сигнала. Начало и конец цикла интегрирования определяются моментами перехода через нулевые значения опорного сигнала, фаза которого принимается за нулевую, причем начало первого цикла интегрирования соответствуют первому положительному значению производной этого сигнала в момент его перехода через нулевое значение. Алгоритм работы устройства представляется следующим образом jJz(t)dt (f Ф-1)-Л О- L fjr ($I 5Г т J 8, 9Г rfl.exi(i) -усиленный и ограниченный формирователем 1 сигнал с неизвестной фазой Ф (см. фиг. 2, ж); Т - период сигнала; А - уровень сигнала на выходе формирователя;а - длительность импульсов. Из приведенного выражения (1) следует, что уровень выходного сигнала устройства не зависит от частоты и пропорционален двойному фазовому сдвигу между исследуемыми сигналами, что обеспечивает высокую чувствительность устройства, а двойное синхронное интегрирование в сочетании с усилением и ограничением исследуемых сигналов - помехоустойчивость. Устройство работает в следующей последовательности. Сигналы, разность фаз между которыми необходимо измерить, поступают на входы 1 и 2 (см. фиг. 2, а, б). Из сигнала входа I, являющегося опорны.м, с помощью нуль-органа 12 формируются короткие импульсы с полярностью, соответствующей знаку производной сигнала в моменты перехода его через нулевые значения, (см. фиг. 2, 0). Иервым положительным импульсом с выхода нуль-органа 12 триггер 14 устанавливается в «1 и разрещает инвертирование импульсов отрицательной полярности с выхода нуль-органа 12 с помощью схемы И -НЕ 13. Запуск схемы первы.м положительны.м импульсом позволяет исключить неопределенность, которая может возникнуть при отсчете начальной фазы. Серия положительных импульсов с удвоенной частотой опорного сигнала с выхода схемы ИЛИ 15 поступает на вход кольцевого трехкаскадного счетчика 16. На трех выходах счетчика 16 образуются серии тактовых импульсов, управляющих ключами 2-7 (см. фиг. 2, г, д, е), причем ключи в парах 2 -и 7, 3 и 5, 4 и 6 работают одновременно. Из серий импульсов, поступающих с первых двух выходов счетчика 16,одновибратором 17 формируется последовательно импульсов с длительностью а, управляюн ая работой ключа 8. Под действием первого тактового управляю цего импульса с первого выхода счетчика 16 замыкается ключ 2 и интегрируется интегратором 8 усиленный и ограниченный фо|1мирователем 1 сигнал, поступающий по входу I. Через половину периода с момента начала интегрирования замыкаются ключи 4 и 8 и в течение времени а читается результат интегрирования, выполненного интегратором 10 (см. фиг. 2, к). Одновременно с этим ключ 6 разряжает емкость памяти интегратора 9, подготавливая этот интегратор к работе. В следующий полунериод (третий такт) замыкается ключ 5 и интегратором 9 интегрируется сформированный сигнал входа 2, замыкается ключ 3 и разряжается емкость памяти интегратора 10. В следующем цикле, состоящем из трех тактов, вновь вступает в работу интегратор 10 и одновременно считается результат интегрирования интегратором 9 с помощью ключей 7 и 8. В дальнейшем процесс повторяется. Полученная па выходе ключа 8 последовательность импульсов (см. фи1. 2, к) осред-. няется фильтром 1 1 нижних частот. Уровень выходного постоянногч) напряжения фильтра нижних частот пропорционален двойному сдвигу фаз между исследуемыми сигналами (1), а изменение полярности этого напряжения характеризует нереход от области сдвигов флз П...90° к области 90...180°, причем юложительпой полярности выходного сигнала фильтра соответствует область сдвига фаз О...90°, а отрицательной 90...180°. В нредлагаемо.м устройстве можно увеличить число измерительных каналов путем соответствуюп|его увеличения количества интеграторов, общих ключей и фильтров нижних частот без изменения схемы опорного канала, что упрощает схему и облегчает ее настройку. Результаты измерения могут быть выведены на щлейфовый осциллограф или введены через аналого-цифровой преобразова тель в ЦЭВМ по командам, формируемым ЦЭВМ из выходных импульсов кольцевого счетчика, что позволит автоматизировать процесс измерения сдвига фаз. Использование предлагаемого устройства позволит производить из.мерение сдвига фаз в условиях помех и при искажениях формы сигналов, причем результат измереНИИ не зависит от частоты исследуемых сигналов, что упрощает интерпретацию результатов. На предприятии изготовлен опытный образец устройства и получены положительные результаты в процессе его испытаний. Формула изобретения Устройство для измерения сдвига фаз, содержащее два интегратора, последовательно соединенные нуль-орган, логический блок и элемент ИЛИ, второй вход которого связан с выходом нуль-органа непосредственно, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, в него дополнительно введены формирователь сигнала, подключенные к выходу элемента ИЛИ последовательно соединенные кольцевой счетчик, одновибратор, выходной ключ и фильтр нижних частот, выход которого подключен к выходу устройства, а также шесть ключей, при этом первые входы первого и второго ключа соединены с выходом формирователя сигнала, вторые входы их связаны с первым и третьим выходами кольцевого счетчика, а обоих ключей через соответствующие интеграторы подключены к первым входам третьего и четвертого ключей, вторые входы которых подключены к второму и первому выходам кольцевого счетчика, а выходы третьего и четвертого ключей соединены с вторы.м входом выходного ключа, первые входы пятого и щестого интеграторов подключены к входам соответствуюнхих интеграторов, вторые входы упомянутых ключей - с выходами интеграторов, третий вход пятого ключа связан с третьим выходом кольцевого счетчика, а третий вход щестого ключа - с вторым ВЫХОДОМ кольцевого счетчика. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 473120, G 01 R 25/00, 1973. 2.Авторское свидетельство СССР № 474763, G 01 R 25/00, 1974.