Цифровой фазометр для измерения среднего значения сдвига фаз Советский патент 1980 года по МПК G01R25/00 

Изобретение относится к информаци онно-измерительной технике, в частно сти к области фазовых измерений, и может быть использовано для измерения среднего значения сдвига Фаз между двумя периодическими сигналами. . Известен цифровой фазометр, содержащий формирующие устройства, триггеры, элементы И, два импульсных генератора с ударным возбуждением и счет чик импульсов lj, Недостатком фазометра является пониженная точность, обусловленная невысокой стабильностью частоты генераторов с ударным возбуждением, Известен другой цифровой фазометр для измерения среднего значения сдвига фаз, работающий.на принципе совПсщения регулярных импульсных последовательностей. Он содержит ключи, .формирователь импульсов, триггер, ком мутатор, элемент И, линии задержки, схему запрета, генератор эталонной частоты, счетчик периодов и счетчики квантующих импульсов 2, Однако 3toT фазометр не может измерять фазовые сдвиги между входными сигналами, частота которых кратна частоте эталонного генератора, в слу.чае, если различаются начальные фазы колебаний входных сигналов к эталон ной частоты Целью изобретения является обеспечение возможности измерения фазовых сдвигов на частотах, кратных эталонной частоте. Указанная цель достигается тем, что в цифровой фазометр для измерения среднего значения сдвига фаз, содержащий входные к.гаочи, управляющие входы которых подключены к выходам первого триггера, а выхо4да - ко входу формирователя импульсов, выход которого соединен с первыми входами первого элемента И и первого ключа, с выходом которого соединен вход счетчика периодов, электронный комг татор, первый выход которого подключен к управляющим входам первого и второго к.гаэчей, а второй выход - к управлягадему входу третьего ключа, два счетчика эталонной частоты, соединенные с выходами второго и третьего к.гаочей, первый генератор эталонной частоты, введены второй генератор эталонной частоты, второй элемент И, одновибратор, два триггера, три ключа, два элемента ИЛИ, блок селекции и шина запуска, причем первый вход второго элемента И соединен с выходом формярователя импульсов, шина запуска соединена со входом одновибратора, выход которого через четвертый ключ подключен ко второму триггеру, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первыми входами пятогои шестого ключей, ко вторым зходам которых подключены генераторы эталонной частоты, а выходы - через первый элемент ИЛИ соединены с первыми входами второго и третьего ключей и непосредственно со вторыми в-ходами первого и второго элементов И, выход первого из которых через второй элемент ИЛИ, а выход второго через блок селекции и второй элемент ИЛИ соединены со вхо. дами электронного коммутатора и перво го триггера, выход первого элемента И соединен также через третий триггер со вторым входом четвертого ключа. На фиг. 1 изображена структурная электрическая схема предлагаемого фазометра; на фиг. 2 - временные диаграммы его работы. Фазометр содержит входные ключи 1 и 2, триггеры 3, 4 и 5, формирователь 6 импульсов, элементы И -7 и 8, ключи 9-14, генераторы 15 и 16 эталонной частоты, элементы ИЛИ 17 и 18,одновиб ратор 19, электронный коммутатор 20, счетчик 21 периодов, счетчики 22 и 23 эталонной частоты, шину 24 запуска И блок 25 селекции. Фазометр работает следующим образом. В исходном состоянии триггер 3 находится в первом устойчивом состоянии и удерживает входной ключ 1 открытым, а входной ключ 2 - закрытым, ключи 11-14, закрыты, ключи 9 и 10 открыты Входные напряжения и и Uij , частоты фазовый сдвиг (которому на фиг. 2,S, соответствует фазовый интервал tp) между которыми необходимо измерить , подают на входные ключи 1 и 2. Входное напряжение U, подключенное .к открытому входному ключу 1, будет опорным напряжением, а входное на пряжение и. подключенное, к входному ключу 2 - измеряемым напряжением. Опорное напряжение через входной ключ 1 поступает на формирователь 6 импуль сов, который преобразует его в прямоугольные импульсы напряжения длительностью ТГ с периодом следования (фиг. 2а), привязанные к моментам перехода опорного напряжения через нуль Эти импульсы поступают на первые входы ключа 12 и элементов И 7 и 8. На второй же вход элемента И 7 с выхо да генератора 15 эталонной частоты fQ через открытый ключ 10 поступают прямоугольные импульсы напряжения длительностью с периодом следования УЗ (фиг. 2,i)) . Последние, кроме того, через элемент ИЛИ 17 поступают на входы ключей 13 и 14. В случае, когда частота fy. входных сигналов кратна эталонной частоте f, генератора 15 и начальные фазы этих колебаний различны, время ожидания совпа,дения импульсов на входе элемента И 7 может быть как угодно большим и перебрасывания триггера 4 не происходит. Б то же время одновибратор 19, запускаемый импульсом запуска по шине 24, формирует импульс напряжения длительностью Q, задний фронт которого через открытый ключ 9 перебрасывает триггер 5. Последний закрывает ключ 10 и открывает ключ 11, тем самым прекращается поступление на второй вход элемента И 7 импульсов с выхода генератора 15 эталонной частоты fs . Ко второму входу элемента И 8 подключается выход генератора 16 эталонной частоты f , который формирует прямоугольные импульсы напряжения длительностью t с периодом следования Т i/f4 (Фиг. ,). Последние, .кроме того, поступают через элемент ИЛИ 17 на входы ключей 13 и 14. Длительность Q импульса одновибратора 19 выбирается из следующих сообргркений. Временной интервал Т. между последовательнымй совпадениями во времени импульсов длительностью Т с периодами следования Т и Тд равен Исходя из формулы (1) длительность Q импульса одновибратора определяется где Ту;м наибольший из периодов следования входных сигналов. Из выражения.(2) следует, что одновибратор 19 задает максимальный временный интервал, в течение которого возможно совпадениа импульсов, сформированных соответственно из входного сигнала и сигнала генератора 15. Если же в течение времени Q совпадения импульсов на входе элемента И 7 не происходит, то из следует, что частота f входных сигналов кратна или равна частоте fg генератора 15, причем Начальные фазы колебаний входных сигналов и эталонной частоты различны. f9+ Д f Поскольку частота fg (где Af - разница между частотами fg и fg ), т. е. частота fg уже не кратна частоте fx входных сигналов, то неизбежно произойдет совпадение г во времени выходного импульса формирователя 6 с импульсом генератора 16 эталонной частоты fQ. . Оценим величину разницы . По. грешность измерения временных инвервалов, заключенных между импульсами совпадений, используемых для определения искомого фазового сдвига, в из.вестном устройстве составляет + 2t. Чтобы не превысить эту погрешность и при измерениях фазовых сдвигов на частотах входных сигналов, кратных частоте fg (т. е. в том случае, когда происходят совпадения импульсов формирователя 6 с импульсами генератора 16 эталонной частоты fэ) и учитывая, что частоты fy и fg близки, так как Af невелика, необходимо чтобы выполнялось условие Так как величина Л Т равна Ь . где относительная нестабильност эталонной частоты f 3 относительно эталонной частоты f, то из последне 1ГО равенства получают Тогда эталонная частота f определи ется из выражения fg + об например fg 10° Гц и Если, , с учетом (3) имеют 10 Югц. 4- 10 ГЦ,. Т. е. условие (3)-, обеспечивающее не обходимую точность измерения на частотах входных сигналов, кратных эталонной частоте fg, технически реализуется просто. Из УСЛОВИЯ (3) также следует, что при сравнении во времени (в элементе И 8) последовательностей импульсоб длительностью t с близкими периодами Тэ , т. е. в случае кратности час тот fx и fэ), будут иметь место не одиночные совпадения импульсов, а пе риодически следующие пакеты совпадений , число импульсов в которых прямо пропорционально t и обратно пропорци онально разности ( ). Для обеспечения возможности измерения в этом случае пакеты совпадений с выхода элемента И 8 поступают на вход блока 25 селекции, функциональное назначат ние которого состоит в выделении оди наковых по номеру (например первых) импульсов пакетов совпадений. Т. е. из пакета совпадений, поступившего на вход блока 25 селекции, на выход последнего проходит только один импульс, что необходимо для нормальной работы фазометра. Далее импульс с выхода блока 25 с лекции через элемент ИЛИ 18 поступае на входы электронного коммутатора 20 и триггера 3. Последний перебрасывается во второе устойчивое состояние, закрывая входной ключ 1 и открывая входной ключ 2, через который измеря емое напряжение начинает поступать .на вход формирователя 6 импульсов, который преобразовывает его в прямоугольные импульсы напряжения длительностью Т с периодом следования Ту 1/fx (фиг. -2,5) , привязанные к моментам перехода измеряемого напряжения через нуль.. Далее эти импульсы поступают на первые входы элементов И 7 и 8, и ключа 12. Одновременно с этим срабатывает электронный коммутатор 20 и на его обоих выходах появляется единичный уровень напряжения, который открывает ключи 12, 13 и 14. Через открытый ключ 12 с выхода формирователя б импульсов на вход счетчика 21 периодов начинают поступать импульсы измеряемого напряжения, через открытые ключи 13 и 14 на входы соответственно счетчиков 22 и 23 начинают поступать с выхода элемента ИЛИ 17 импульсы с выхода генератора 16 эталонной частоты. - При совпадении во времени выходного импульса формирователя 6, сформированного из измеряемого напряжения, с импульсом генератора 16 вновь срабатывает элемент И 8 и на его выходе появится пакет совпащений. Импульс, выделенный из последнего блоком 25 селекции, через элемент ИЛИ 18 поступает на вход триггера 3 и возвращает его в исходное состояние. Входной ключ 2 закрывается, а входной ключ 1 открывается и опорное напряжение через формирюватель 6 импульсов начинает поступать на первые входы элемента И 8 и ключа 12. Тот же импульс с выхода элемента И 8, поступая на вход электронного коммутатора 20, снимает единичный уровень напряжения с его первого выхода, закрывая ключ 14. Тем самым в счётчике 23 эталонной частоты формируется код m. При совпадении во времени выходного импульса формирователя 6 импульсов , сформированного из опорного напряжения, с импульсом генератора 16 снова срабатывает элемент И 8 и на его выходе появится пакет совпадений, из которого блок селекции 25 вьщеляет импульс, поступающий через элемент ИЛИ 18 на электронный коммутатор 0. Последний снимает единичный уровень напряжения со своего второго выхода, закрывая ключи 12 и 13. Тем самым в счетчике 21 периодов формируется код . А, а в счетчике 22 эталонной частоты- код п . Далее коды. А,, m и г, вводятся в электронную цифровую вычислительную ашину для вычисления искомого фазоого сдвига, который определяется по ормуле .,/М(т-,-) где Йз выражения (3) следует, что . фазовый сдвиг S является инвариантным (независимым) по отношению к значени эталонной частоты f или fд. Когда частота fx входных сигналов не кратна частоте fg генератора 15, тогда совпадение во времени импульсо на входе элемента и 7 произойдет ран ше:, .чем окончится импульс длительностью Q одновибратора 19, и импульс с выхода элемента 7, перебросив тригге 4, закроет ключ 9, тем самым запреща переброс триггера 5 после окончания импульса одновибратора. Следовательн в течение времени измерения ко второ му входу элемента И 7 будет подключе генератор 15 эталоннойчастоты. Во всём остальном работа фазометра протекает аналогична, ноЗа исключением того, что импульсы совпадения с вы-хода элемента И 7 поступают на.вход элемента ИЛИ 18 непосредственно. Формула изобретения Цифровой фазометр для измерения среднего значения сдвига фаз, содержащий входные ключи, управлякяцие вхо ды которых подключены к выходам первого триггера, а )выходы - ко входу формирователя импульсов, выход которого соедийен с первыми входами первого элемента И и первого ключа, с выходом которого соединен вход счетчика периодов, электронный коммутато первый выход которого подключен к управляющим входам первого и второго ключей, а второй выход - к управляющему входу третьего ключа, два счетчика эталонной частоты, соединенные с выходами второго и третьего ключей, и первый генератор эталонной частоты, отличающийся тем, что, с целью обеспечения возможности измерения фазовых сдвигов на частотах, кратных эталонной частоте, в него дополнительно введены второй генератор эталонной частоты, второй элемент И, одновибратор, два триггера, три ключа, два элемента ИЛИ, блок селекции и шина запуска, причем первый вход второго элемента И соединен с выходом формирователя импульсов, шина запуска соединена со входом одновибратора, ВЕЛХод которого через четвертый ключ подключен ко второму триггеру, первый и второй выходы которого соединены с первыми входами пятого и шестого ключей, ко вторым входам последних подключены первый и второй генераторы эталоннойчастоты, а выходы этих ключей, через первый элемент ИЛИ соединены с первыми входами второго и третьего ключей и непосредственно - со вторыми входами первого и второго элементов И, выход первого элемента И черей второй элемент ИЛИ, а выход второго элемента И через блок селекции и второй элемент ИЛИ соединены со входами электронного коммутатора и первого триггера, выход первого элемента И соединен также через третий триггер со вторым входом четвертого ключа. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 231665, кл. G 01 R 25/08, 18.07.67. 2.Авторское свидетельство СССР № 381038, кл. G 01 R 25/08, 26.02.71.

ut. г