Цифровой фазометр Советский патент 1981 года по МПК G01R25/00 

Изобретение относигся к информационно-измерительной технике и предназя. чено для измерения среднего (за постоянное время измерения) угла сдвига фаз между двумя синусоидальными напряжениями или между двумя последовательностями электрических импульсов. фазометрам с постоянным временем измерения присуща низкочастотная погрешность дискретного преобразования бц, обусловленная некратностью периода исследуемого напряжения и времени изме рения фазометра, а также;, случайным расположением моментов начала и ок.сжчания времени измерения Т по отношению к пачкам импульсов ,. Известны цифровые фазометры среднего значения сдвига фаз, в которых ослабление низкочастотной погрешносгн достигается путем изменения частоты квантующих импульсов, причем она изьданяется по зависимости, симметричной относительно середины временного интервала мгм- Э результате уменьшается вег пачек счетных импульсов, совпадающих с начальной и конечной областью интервала Т, . Недостатком устройства явдяется схемная сложность и высокие метрологические требования к узлам, обеспечивающим неооходимую точность реализации закона изменения квантующей частоты i. Из известньвс устройств наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является цифровой фазометр среднего значения сдвига фаз, принцип действия которого оснсеан на измерении интервала времени &Ти пропорционального, фазовому сдвигу У , путем его квантования и подсчета числа квантующих импульсов (с периода следования )аа несколько периодов,, исследуемых напряжений в течение ностоянното, времени измерения l2. Недостатком известного, устройства является наличие ниэкочастотнй составляющей погрешности дискретного преобразования. Целью изобретения является повышение точности измерения среднего знач,- ния угла сдвига фаз между исследуемыми сигналами за счет снижения низкочастотной погрешности дискретного преобразова ния. Для достижения поставленной цели в устройство, содержащее два формирователя импульсов, подключенных через фазовый дискримвватор к одному из входов квантующего элемента И, второй вход ко торого соединен с синхронизирующим вы ходом блока управления, чей управляющий .выход через первый вход регистригрующег элемента И подключен к счетчику резуль тата, введен блок.равномерного распределения импульсов в цикле измерения, состоящий из последовательно включенных блока удлинения временного интервала, oг Jaничитeля .eния, преоЬразовате- ля напряжение-частота и разделительного элемента И, а также из двух счетчиков. Двух групп вентилей, регистра и бло ка анализатора О, причем разрядные выходы первого счетчика соединены с разрядными входами второго через последовательно включенные первую группу вентилей, регистр и вторую группу вентилей, первый командный выход блока управления соединен со вторым входом первой группы вентилей, а второй командный выход .- со вторым входом второй группы вентилей, при этом выход второг счетчика через блок анализатора О со динен со вторым входом разделительного элемента, а вх.од блока удлинения време ного интервала соединен с выходом фазового дискриминатсчэа, счетный вход первого счетчика - с выходом квантующего элемента И, а выход разделительного элемента И соединен со счетным входом второго счетчика н со вторым входом регистрирующего, элемента И. „ На чертеже представпена блок-схема устройства.. Устройство содержит формирующие устройства 1 и 2j фазовый дискриминато 3; блок 4 управления, элемент И 5;- блок 6 равномерного распределения квантующих импупьсов пачки на период исследуемого сигнала, блок 7 увеличения длительности входного импульса на время, разное периоду следования квантукэщих импупьсов, блок 8 нормализации амплитуды входного импульса и выделения среднего значения нормализованного нап ряжения, преобразователь 9 напряжени частота, элемент И, Д.О, счетчики 11 и 12 измерения количества импульсов в па ке, группы 13 и 14 вентилей, регистр 15, блок 16 а1 ализатора О, элемент И 17,, счетчик 18 результата, синхроннзирующие вход 19 и выход 2О блока управпения, соответственно первый третий 21-23 командные выходы блока управлейия, .первый 24 и второй 25 входы, устройства. Первый и второй входы 24 и 25 фазометра подключены ко входам соответствующих формирующих устройств 1 и 2 выходы которых соединены со входами фазового дискриминатора 3, чей выход соединен с первым входом двухвходового элемента И 5, входом блока 7 и синхронизирующим входом 19 схемы 4 управления. Синхронизирующий вькод 20 схемы 4 управпения связан со вторым входом элемента И 5. Выход блока 7 через блок 8 соединен со входом преобразователя 9 напряжение-частота,- выход которого соединен с первым входом двухвходового элемента И Ю. Выход элемента И 5 соединен со счет.ным входом счетчика 11, разрядною выходы которого через группу 13 вентилей связаны с разрядными входами регистра 15, разрядные выходы которого через группу 14 вентилей соединены с разрядными входами счетчика 12. Выход элемента И 10 соединен со счетными входом счетчика 12 и вторым входом двухвходового элемента И 17. Выход счетчика 12 через блок 16 анализатора О связан со вторым входом элемента И 10. Выход элемента И 17 связан со- счетным входом счетчика 18, результата. Первый, второй и третий командные выходы 21-23 схемы 4 управления соединены соответственно с управляющими ВХОДЕ ми групп 13 и 14 вентилей и первым входом двухвходового элемента И 17. Основной принцип работы предлагаемого устройства заключается в тпм, что в устаяовивщемся режиме работы с помощью схемы 6 обеспечивается равномерное распреаепение импульсов пачки в пределах всего периода исследуемого сигнала, в результате чего временной интервал квантуется практически ровно-отГстоящими импульсами. За счет этого осуществляется снижение низкочастотной погрешности измерения угла сдвига фаз. Устройство работает спедующим обраЗом. . армирующие устройства 1 и 2 вырабатывают прямоугольные импульсы, временной сдвиг йТц между которыми

пропорционален фазовому сдвигу Ц между входными сигналами. Поступившие на входы фазового дискриминатора 3 импульсы преобразуются им в послеаовательность прямоугольных импульсов с длитепь костью дТц) V и периодом, равным пер.иоду входных сигналов Т.

Блок 7 вырабатывает последовательности прямоугольных импульсов гого же периода, но увеличенной длительности

Л..Т-, - ДТ;

(1) Блок 8 осуществляет последовательно

следующие преобразования:

а)нормализацию амплитуды импульсов, т.е. ограничение максимального и минимального Напряжения импульсов на некоторых значениях ЛАИН;

б)вьшеление (на фильтре нижних частот) постоянной составляющей нормализованного напряжения

,

и

ПОСТ

лТт

. ) т JWVVIH WfAOKC W MH поступающей на вход преобразователя9 напряжение-частота с характеристикой вида. : -К И - К И 1„....-.и. ... П-Н-Ч где KJ - коэффициент пропорциональности Учитывая (1), (2) и (З), получим «п.ц.ч-(Ц MCSKC мин) . ЛТЧНТСЦ Выбрав значение К. из усиовия NVQKC /лми сч Члокс м выражение (4) примет вид J й.Тц Ц-Тсм За время Т на вьЬсоде 1реобразователя 9 сформируется К периодов частоты пи М (учитывая, Что частота эходного сигнала и fn.H.4 независимы) f-r f Т .(М)Тп.н.ч I. , J , ;. где М - целая часть числа К..(М 31(С dl-дробная часть К (т.е. )Обозначив через X и У соответственно число импупьсов на-выходе преобразователя 9 (за время Т) и число импульсов в пачке, найдем связь между X и У.

Так как начало временното интервала Т несинхронизировано 6твосительно последовательности импульсов TjL. на первый вход элемента И 1О поступит либо М, либо М+1 импульсов, т.е.

Число У является результатом квантования временного интервала A-Tt периодом Тсч, причем АТц) и Тсц некратны, и (Тц) случайным образом tрасположено портнршенрю к импупьсам Тсц.

Используя (9), получим, что уложится в интервал (К-1) раз.

K-I-25

откуда (учитывая, что i) ,У (5 или М; или М-1. Из выражений (8) и (11) следует, что за один период квантования ЛТи| число импульсов, формируемых на выходе преобразователя 9, или равно, или не более чем на два импульса больше, чем число импульсов в пачке. Этим исключается потеря хотя бы одного импульса при их подсчете в счетчике 18. Счетчик 11 регистрирует число импульсов, содержащихся в каждой пачке, поступающей с выхода элемента И 5. По заднему фронту импульса лТц с первого командного выхода 21 блока 4 управления на группу 13 вентилей поступает импульсный сигнал, осуществляющий перепись кода счетчика 11 в регистр 15, По переднему фронту импульса u.T на втором командном выходе 22 блока 4 управления формирует.ся сигнал, поступающий на группу 14 вентилей, по которому код -из регистра 15 переписывается в счетчик 12. При коде, отличном от нуля, на выходе блсжа 16 анализатора О образуется: разрешающий; потенциал, подаваемый на второй вход элемента И 1Q, н импульсы преобразователя 9 через элемент И 10 Ч ocтyпaюt Ч)Дновременно на вход вычитающего счетчика 12 и на вход суммирующего счетчика 18 результата

(черйз элемент И 17, на первый вход которого с третьего командного выхода 23 схемы 4 управления подается разрешающий потенциал на время измерения По окончании Т) элемент И 17 закрывается. Число, полученное в счетчике 18. результата, пропорцисяальное среднему углу сдвига фаз между исследуемыми сигналами.

Таким образом, число импульсов, пос- тупающих на счетчик 18 в каждом периоде квантования дТц , равно числу импульсов в пачке, подсчитьшаемых счетчиком 11. При этом частота поступления импульсов в счетчик 18 существенно ниж чем частота импульсов в пачке, в результате чего импульсы, поступающие в счетчик 18, распределяются практически равномерно в течение всего интервала времени измерения. Поэтому введение в схемуцифрового фазометра блока равяомерного распределения импульсов в цикле измерения обеспечивает снижение низкочастотно погрешности дискретного преобразования и повышение-ТОЧНОСТИ измерения.

Предлагаемое устройство может быть использовано в народном хозяйстве со значительным экономическим эффектом за счет значительного повышения точности измерения фазового сдвига.

Формула изобретен-и я

Цифровой фазометр, содержащий два формирователя импульсов, подключенных через фазовый дискриминатор к одному из входов квантующего элемента И, второй вход которого соединен с синхронизирующим выходом блока управления, чей управ ляющий выход через первый вход регистрирующего элемента-И подключен к счетчику результатов, отл-ичаюшийс я тем, что, с целью повышения точност изме зения среднего значения угла сдвига фаз за счет снижений низкочастотной погрешности дискретного преобразования, в него введен блок равномерного распределения импульсов в цикле измерения, состоящий, из последовательно включенных блока удлинения временного интервала, ограничителя напряжения, преобразователя нагфяжение-часгота и разделительного элемента. И, а также из двух счетчиков, двух групп вентилей, регистра и блока анализатора О, причем разрядные выходы первого счетчика соединены с разрядными входами второго через последовательно, включенные первую группу вентилей, регистр и вторую группу вентилей, первый командный выход блока управления соединен со вторым входом первой группы вентилей, а второй командный выход - со вторым входом второй группы вентилей, при этом выход второг-о счетчика через блок .анализатора О соединен со вторым входом разделительного элемента И, а вход блока удлинения временного интервала соединен с выходом фазового дискриминатора, счетный вход первого счетчика - с выходом квантующего элемента И, а выход разделительного элемента И соединен со счетным входом второго счетчика, и со вторым входом регистрирующего элемента И.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Смирнов П. Т. и Мурашов О. В. Сокращение времени измерения цифровых фазометров.-Вопросы радиоэлектроники, 1969, Серия РТ, вып. 4, с. 18-22.

2.Орнахтский П. П. Автомагические измерительные приборы, Вища школа, 1971, с. 420 (прототип).