Цифровой фазометр Советский патент 1981 года по МПК G01R25/00 

(54) ЦИФРОВОЙ ФАЗОМЕТР

1

Устройство относится к фазоизмерительной технике и может быть использовано в прецизионных цифровых фазометрах.

Известен цифровой фазометр, содержащий формирующие блоки опорного и измерительного каналов, генератор квантующих импульсов, триггеры, счетчик импульсов, схемы совпадения и делитель частоты 1.

Недостатком устройства является. наличие значительной ошибки измерения фазового сдвига, вносимой формирующими блоками, которые содержат усилители-ограничители, формирующие прямоугольное напряжение из гармонического сигнала.

Известен цифровой фазометр, который содержит формирователи опорного И измерительного каналов, генератор квантующих импульсов, триггер, счетчик импульсов с индикацией, схемы совпадения, триггеры, дополнительный счетчик и элемент задержки 2.

Недостатком известного устройства является значительная ошибка измерения из-за флюктуации прямоугольных напряжений на выходах формирователей опорного и измерительного каналов .

Цель изобретения-повышение точности измерения фазового сдвига.

Поставленная цель достигается тем, что цифровой фазометр, содержащий триггер, генератор квантующих импульсов, элемент совпадения, счетчик с индикацией и формирователь в кшкдом из двух каналов, снабжен N-1 триггерами, комбинационным дешифра10тором, сумматором, регистром памяти, блоком управления и в каждом из каналов N-1 формирователями, причем входы формирователей каждого из каналов объединены, первые выходы каждого из формирователей второго каНс1ла соединены соответственно с первыми установочными входами каждого из N триггеров, выходы каждого из N ;формирователей первого канала соединены соответственно со вторыми установочными входами каждого из N триггеров, первый и второй выходы триггеров подсоединены к входам комбинационного дешифратора, выход которого соединен с кодовыми входами блока управления и с первыми входами сумматора, выходы которого соединены с входами регистра памяти, вход синхронизации всех формирователей, с входом синхронизации блока

управл.ения и с выходом генератора квантующих импульсов, а выходы соединены с вторыми входами сумматора к с кодовыми входами счетчика с индикацией, счетный вход которого соединен с выходом переноса сумматора, а вход сброса - с входом сброса регистра памяти и с первым выходом блока управления, второй и третий выходы; которого соединены с соответствующими третьими и четвертыми установочными входами всех триггеров, четвертый выход - с управляющими входами N формирователей первого канала, а управляющий вход - с выходом элемента совпадения, входы которого соединены соответственно с вторыми выходами формирователей второго канала.

На чертеже представлена структурная схема цифрового фазометра.

Цифровой фазометр формирователя 1-1-1-W первого канала формирователи 2-1-2-N второго канала, генератор 3 квантующих импульсов, триг;гера 4-14-Np комбинационный дешифратор 5, сумматор б|рзгистр 7 памяти, элемент 8 совпадения, блок 9 управления, и счетчик 10 с индикацией.

Цифровой фазометр работает следующим образом,

Перед началом измерении триггеры

4,регистр 7 памяти и счетчик 10 с индикацией находятся в нулевом состоянии, поэтому к входам сумматора 6 с выходов комбинационного дешифратора 5 и с выхода регистра 7 памяти приложены двоичные коды О

Возможны два режима работыs а) работа при измерении некритических фазовых сдвигов, т.е. когда ; .

(Г временной сдвиг между исслегде

дуемыми напряжениями

Сэ, - среднеквадратическое отклонение фронтов сигнала формирователей 1 и 2 первого (опорного) и второго (измерительного) каналов от своего среднего значения, совпадающего с моментом перехода сигналов V и UQ через нулевой уровень;

j- время срабатывания триггеров 4;

б) работа при измерении критических фазовых сдвигов,, т.е. когдаtiOy f i С epQ. Рассмотрим первый случай

t7(5v т гс,рд5. Опорный гармонический канал Y поступает на входы формирователей i-l-l-N,B которых из него формируются прямоугольные напряжения. Фронты прямоугольных напряжений с большей и меньшей точностью соответствуют моментам перехода через нуль сигнала. Ближайший за передним (задним) фронтом прямоугольного напряжения импульс с выхода генератора 3 квантующих импульсов в каждом формирователе проходит на его ВЫХОД и переводит соответствукндий триггер 4-1-4-N в единичное состояние. Считаем что ,, где Ту - период квантующих импульсов, так как только в этом случае имеет смысл снижение погрешности измерения изза флюктуации фронтов сигнала формирователя. При достаточной развязке формирователей можно считать эти флюктуации не коррелированными, поэтому в промежутке времени между срабатыванием первой группы триггеро 4 и срабатыванием всех N триггеров 4 число сработавших триггеров является случайной величиной. Пусть в первый момент времени в циничное состояние перешла часть N триггеров 4. Комбинационный дш1ифратор 5 анализирует выходы всех триггеров 4-1-4-N и преобразует число N в двоичный код, который с выхода комбинационного дешифратора 5 поступает на первые входы сумматора 6. Теперь по каждому импульсу генератора 3 квантующих импульсов к содержимому регистра 7 памяти прибавляется число N,, . Сумматор 6 суммирует числа по модулю N и сигнал переноса с выхода Р поступает на счетный вход счетчика 10 с индикацией. Так будет продолжаться до срабатывания следующей группы триггеров 4 Допустим, что до этого момента генератор 3 выработал п квантувдщих импульсов. Тогда число, зарегистрированное в регистре 7 памяти и в счетчике 10 с индикацией равно . Если обозначить NQ число триггеров 4, находящихся в единичной состоянии после срабатывания второй группы триггеров 4, а п ij - число .квантующих импульсов выработанных генератором 3 с момента времени срабатывания второй группы триггеров 4 до момента времени срабатывания третьей группы триггеров 4, то число зарегисрированное в регистре 7 памяти и счетчике 10, будет +NjnQ. Очевидно, что общее число, зарегистрированное в регистре 7 и счетчике 10 на момент срабатывания всех триггеров 4, можно выразить к

где к - число групп одновременно сработавших триггеров 4. После перехода в единичное состояние всех N

триггеров 4, на выходе комбинационного дешифратора устанавливается двоичный код числа N, который по каждому импульсу генератора 3 квантующих импульсов суммируется с содержимым регистра 7 памяти по модулю N и, сигнал переноса с выхода Р сумматора 6 фиксируется счетчиком 10. Следовательно, общее зарегистрированное число выражается

где N. - число триггеров 4, оставшихся в единичном состоянии после обнуления j-ой группы триггеров 4; п.- - число импульсов, выработанных генератором 3 квантующих импульсов в промежутке между обнулениями j-ой и (j+l)-oй группами триггеров 4; m - число групп одновременно

обнуленных триггеров. После перехода в нулевое состояние всех N триггеров 4 на первые входы сумматора 6 с выходов комбинационного дешифратора 5 подается код О и увеличение содержимого регистра 7 памяти счетчика 10 по импульсам генератора 3 прекращается. При этом в регистре 7 и счетчике 10 фиксируется суммарное число . пропорциональное измеряемому фазо.вому сдвигу.

%5m.gN v|/j-j

(1)

J

Среднее значение измеренного ин10

тервала можно выразить

где t;

- случайная величина, характеризующая флюк0туации фронтов прямоугольного напряжения формирователей 2 измерительного канала; U) (tj) ) - плотность вероятности 5случайной величины;

,, - математическое ожидание;

t - момент перехода гармонического сигнала Uj

Qчерез нулевой уровень.

Очевидно, что

Е1«1 t,, Eirr (5)

v°

vc L .JO 1 « 1 N. (2) . Проанализируем первое слагаемое в выражении (2), найдя предел, по которому оно стремится при N-« и Тд- 0. Очевидно, что в этог7 случае произведение п,Т переходит в непрерывную случайную величину tv, характеризующую флюктуации фронтов прямоугольного напряжения формирователей NJ 1, отношение - превращается в плотность вероятности случайной величины (Ь) , а сумма заменяется интегралом, т.е., ,ya;(t), Следовательно, при Тд- О и первое слагаемое в (2) равно математическбму ожиданию случайной величины , равному to-моменту перехода гармонического сигнала и через нулевой уровень, а при конечных N и Т дает несмещенную состоятельную оценку . - Аналогичные рассуждения для третьего слагаемого в выражении (2) дает m N. (,(4) iim С и .Т, -fjN..CO -Л i° VO

а при конечных Тд и является несмещенной состоятельной оценкой измеряемой величины Т.

Таким образом, в цифровом фазометре осуществляется измерение фазового сдвига как бы в N независимых каналах с усреднением результата в одном счетчике. Пусть (д дисперсия флюктуации фронтов прямоугольного напряжения формирователей 1 и 2, тогда при измерении интервал Т при использовании известных устройств, среднеквадратическая ошибка измерения за один период исследуемого сигнала выражается

1/2 б-.

(6)

V V

Ч)

Использование предлагаемого устройства дает среднеквадратическуго ошибку измерения

(7)

л

Сравнивая выражения (б) и (7) видно, что применение настоящего, устройства позволяет снизить среднеквадратическую ошибку измерения фазового сдвига, вызванную флюктуациями фронтов прямоугольных напряжений формирователей, в Ylf раз.

Время измерения 9 задается с помощью блока 9 управления, который в конце каждого цикла измерения обнуляет регистр 7 и счетчик 10, и измерительный цикл повторяется.

При измерении критических фазовых сдвигов, т.е. фазовых сдвигов, близких в О или к 2 Г, возможны случаи, когда после окончания формирования передних (задних) фронтов прямоугольного напряжения всеми формирователями 2, часть триггеров 4 окажется в единичном состоянии. В этом случае по си.гналу с выхода элемент совпадения 8, который появляется с окончанием формирбвания передних (задних) Фронтов прямоугольного напряжения всеми формирователями 2, блок 9 управления анализирует код на ВЕлходах комбинационного дешифратора 5. Если число триггеров 4, находящихся в единичном состоянии, меньше N/2, то блок 9 управления на своем третьем выходе вырабатывает сигнал, обнуляющий все триггеры 4, и считается, что измеряемый фазовый сдвиг к О, и числовое значение его зарегистрировано в регистре 7 и счетчике 10. Если число триггеров 4, находящихся в единичном состоянии больше либо равно N/2, то блок управления 9 вырабатывает на своем втором выходе сигнал, устанавливающий все триггеры 4 в единичное состояние, и считается, что измеряемьй фазовый сдвиг близок к 2J . Обнуление триггеров 4

осуществляется фронтами следующего периода прямоугольного напряжения формирователей 2 измерительного канала. При этом, для надежного обнуления триггеров 4, с четвертого выхода блока 9 управления на управляющие входы формирователей 1 подается сигнал, запрещающий проход импулсов генератора 3 квантующих импульсов на выход формирователей 2. После обнуления триггеров 4 результат измерения фиксируется в регистре 7

и счетчике 10, а сигнал, запрещающий работу формирователей 1, снимается и устройство готово к следующему измерению. Синхронизация работы блока 9 управления, формирователей 1 и 2 опорного и измерительного каналов, регистра 7 памяти и счетчика 10 с индикацией осуществляется импульсами генератора 3.

Таким образом, применение предлагаемого устройства позволяет снизить ошибку измерения фазовых сдвигов вследствие флюктуации фронтов прямоугольного напряжения формирователей.

что достигается введением дополнительных формирователей и триггеров, комбинационного дешифратора, сумматора, регистра памяти и блока управления, осуществляющих многоканальное, независимое измерение фазового сдвига при усреднении результата в одном счетчике.

При реализации предлагаемого устройства в качестве усилителей-ограничителей формирователей использовались микросхемы серии 140 {140УД1). Цифровая часть строилась на .микросхемах серии 133. Каждый канал содержит по 4 формирователя, т.е.. Фазовый сдвиг измерялся между двумя гармоническими сигналами, частотой 5 кГц. Частота сигнала генератора квантующих импульсов 10 МГц (Tj, 0,1 мкс) . Эксперимент показал уменьшение среднеквадратической ошибки при многоканальном измерении по сравнению с одноканальньам в 2 раза.

формула изобретения

Цифровой фазометр, содержащий триггер, генератор квантующих импульсов, элемент совпадения, счетчик с индикацией и формирователь в каждом из двух каналов, отличающ и и с я тем, что, с целью повышения точности, он снабжен N-1 триггерами, комбинационным дешифратором, сумматором, регистром памяти, блоком управления и в каждом из каналов N-1

формирователями, причем входы формирователей каждого из каналов объединены f первые входы каждого из формирователей второго канала соединены соответственно с первыми установочными входами каждого из N триггеров,выходы каждого HS.N формирова- телей первого канала соединены соответственно со вторыми установленными входами каждого из N триггеров,первой и второй выходы триггеров подсоединены к входам комбинационного дешифратора, выход которого соединен с кодовыми входами блока управления и с первыми входами сумматора, выходы которого соединены с входами регистра памяти, вход синхронизации которого соединен с входами синхронизации всех формиЕ ователей, с входом синхронизации блока управления и с выходом генератора квантующих импульсов, а выходы соединены с вторыми входами сумматора и с кодовыми входами счетчика с индикацией, счетный вход которого соединен с выходом переноса сумматора, а вход сброса - с входом сброса регистра памяти и с первым выходом блока управления, второй и третий выходы которого соединены с соответствующими третьими, и четвертыми установочными входами всех триггеров, четвертый выход - с управляющими входами N формирователей первого канала;, а управляющий вход с выходом элемента совпадения, входы которого соединены соответственно с вторыми выходами формирователей второго канала.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе . 1. Смирнов П.Т. Цифровые фазоЭнергия

1974, с.33.

метры.

2. Авторское свидетельство СССР № 473120, кл. G 01 R 25/00, 1976.