Двухчастотное фазометрическое устройство инфранизких частот Советский патент 1982 года по МПК G01R25/00 G01V3/02 

Изобретение относится к иг ульсной технике и может быть использовано в фазометрической технике, в частности при амплитудно-фазовых измерениях на инфранизких частотах в геоэлектроразведке.

Известно устройство для измерения фазовых сдвигов сигналов двух частот, содержащее измерительный и опорный канал, подключенный к фазометру, в котором выполняется поочередное измерение фазовых углов на каждой частоте относительно опорного сигнала той же частоты t jНедостатком такого устройства является необходимость передачи сигналов опорной фазы по специальному каналу, что при проведении полевых измерений в горных районах связано с рядом технических трудностей.

Известно двухчастотное фазометрическое устройство инфранизких частот, содержащее блок согласования, соединенный с входами блоков усиления и фильтрации сигналов нижней и верхней частоты, к выходам которых подключены компараторы и преобразователь уровня, формирователь временного интервала (измеритель временного интервапа1, соединенный с выходами компараторов, преобразователя уровня сигналов и блока управления,подключенного , также к регистратору (счетчику результата измерений) L2J.

Недостатком этого устройства является низкая точность измерений фазовых углов при изменении амплитуды сигнала верхней частоты в широких пределах, обусловленная тем, что

10 амплитуда сигнала верхней частоты (третьей, гармоники) в три раза меньше амплитуды сигнала нижней частоты (первой гармоники), а следовательно мощность зондирующего сигнала верх15ней частоты в девять раз меньше мощности зондирующего сигнала нижней частоты, причем в процессе измерений амплитуда сигнала верхней частоты может изменяться в широких пре20делах, вызазая изменение момента срабагывания компаратора.

Цель изобретения - увеличение точности измерений фазовых сдвигов при изменении амплитуды сигнала верх25ней частоты в широких пределах.

Поставленная цель достигается тем, что двухчастотное фазометрическое устройство инфранизких частот, содержащее блок согласования выход которо30го подключен к входам блока усиления и фильтрации сигнала нихшей частоти и блока усиления и фильтрации сигнала верхней частоты, компаратор, вход которого соединен с выходом бло ка усиления и фильтрации сигнала ниж ней частоты, а выход - с входами фор мирователя временного интервала и блока управления, второй вход и первый выход которого соединены соответ ственно с выходом и вторым входом форми рователя временного интервала, а второй выход - с первым входом ре-т гистратора, введены аналого-цифровой преобразователь, цифроаналоговый пре образователь, оперативное запоминающее устройство, двухвходовой аналоговый ключ, блок логических ключей и источник опорного напряжения, причем первый вход аналогово-цифрового преобразователя соединен с выходом блок усиления и фильтрации сигнала верхней частоты, второй вход - с третьим выходом блока управления, выход - с первым входом блока логических ключей, а третий вход - с. выходом двухвходового аналогового ключа, первый вход которого соединен с .выходом источника опорного напряжения, второй вход - с четвертым выходом блока управления , а третий - с выходом цифро аналогового преобразователя, первый вход которого соединен с вторым выхо дом источника опорного напряжения, а второй - с выходом оперативного запоминающего устройства, первый вхо которого соединен с пятым выходом блока управления, а второй - с первы входом блока логических ключей, второй .вход которых соединен с шестым входом блока управления, а второй выход - с вторым входом регистратора На фиг.1 изображена структурная схема двухчастотного фазом(1рического устройства; на фиг.2 - эпюры напряжений, поясняющие работу устройства. Устройство содержит входную шину 1, соединенную с блоком 2 согласования, выход которого подключен к входам блока 3 усиления и фильтрации сигналов верхней частоты и блока 4 .усиления и фильтрации сигналов нижней частоты, компаратор 5, подключен ный к выходу блока 4, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 6, аналоговый ключ 7, выход которого подключён к опорному входу АЦП 6,. блок 8 логических ключей, входы которого соединены с информационными выходами АЦП 6,источник 9 опорного напряжения выходы которого соединены с одним из входов аналогового ключа 7 и опорным входом цифроанапогового преобразователя (ЦАП)10, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 11, выходы которого соединены с информационными входами ЦАП 10, а информационные вхо ды с выходами блока 8 логических ключей, формирователь 12 временного интервала, один из входов которого соединен с выходом компаратора 5, другой вход и выход - с блоком 13 управления, и регистратор 14, информационнйе входы которого соединены с выходами блока 8 логических ключей, причем выход ЦАП 10 подключен к второму входу аналогового ключа 7, выход компаратора 5 соединен также с одним из входрв блока 13 управления, а выходы блока 13 управления соединены с вxoдa lи управления АЦП 6, ключа 7, блока 3 ключей, ОЗУ 11 и регистратора 14. Устройство работает следующим образом. Двухчастотный сигнал с исследуемого объекта (земли) поступает на входную шину 1 устройства. Обычно В| земле с помощью сигнала генератор-- ного устройстйа возбуждают электромагнитное поле токами двух инфранизких частот (0,1-10 Гц). В точках исследований с помощью приемного датчика (заземленного диполя или магнитометра) измеряемые сигналы принимаются и подаются на -шину 1. . Блок 2 согласования служит для согласования входа измерительного устройства с выходом датчика сигнала. Блок 2 согласования осуществляет также предварительное усиление слабых сигналов или ослабление больших сигналов, т.е. регулировку динамического диапазона устройства. С выходов блока 2 согласования сигнал поступает на два блока 3 и 4 усиления и фильтрации сигналов нижней и верхней частот, с помощью которых осуществляется выделение этих сигналов и усиление их до заданного уровня. Форма сигналов на выходе блоков 3 и 4 показана соответственно на фиг,2аиб. Синусоидальный сигнал нижней частоты с выхода блока 4 поступает на вход компаратора 5, с помощьк) Которого синусоидальный сигнал преобразуется в сигнал прямоугольной формы (фиг. 2 ) , моменты перехода через нуль которого близки к моментам перехода через нуль синусоидального сигнала. Положительным фронтом сигнала, вырабатываемого компаратором 5, запускается формирователь 12 временного интервала, который из состояния логической 1 перебрасывается в состояние логического О. Этот же сигнал поступает в блок 13 управления и открывает ключ, через который высокочастотные импульсы от кварцевого генератора поступают на делитель частоты. Частота кварцевого генератора и коэффициент деления делителя частоты.выбирают таким образом, что период сигнала на выходе делителя частоты с высокой точностью

равен половине периода сигнала верхней частоты. Через половину периода сигнала на выходе делителя частоты с блока 13 управления на второй вход формирователя 12 временного интервала поступает сигнал логического нyля и формирователь 12 перебрасывается в состояние логической 1 (фиг.2г.). Таким образом, на выходе формирователя 12 получают импульсы, длительность которых точно равна 1/4 периода сигнала верхней частоты, а начало совпадает с моментом перехода сигнала нижней частоты через нуль от отрицательных к положительным значениям.

Б момент появления положительного фронта сигнала на выходе формирователя 12 блок 13 выдает команду на ключ 7 и АЦП б. По этой команде ключ 7 подключает к опорному входу АЦП б источник 9 опорного напряжения, а АЦП 6 преобразует амплитуду сигнала -на выходе блока 3 (фйг. в цифровой код. После окончания цикла преобразования по команде из 13 управления открываются логические ,ключи в блоке 8, информация с выходов АЦП б поступает на информацион- ные входы ОЗУ 11, а по сигналу разрешения, поступающему с блока 13, записывается в память ОЗУ 11.С информационных выходов ОЗУ 11 цифровой код измеренного сигнала поступает на информационные входы ЦАП 10. На выходе ЦАП 10 появляется аналоговый сигнал, амплитуда которого точно равна амплитуде сигнала верхней частоты в момент появления положительного фронта напряжения на выходе формирователя 12.

Затем по команде с блока 13 управления аналоговый ключ 7 отключает от опорного входа АЦП 6 источник |9 опорного напряжения и подключает . выход ЦАП 10. На этом заканчивается цикл подготовки устройства к измерению фазового угла. 1

Цикл непосредственного измерения фа13ового угла начинается в момент появления положительного фронта импульса на выходе компаратора 5 (фиг.26). В этот момент блок 13 управления выдает команду в АЦП 6, разрешающую работу АЦП 6, который преобразует амплитуду сигнала верхней частоты (в момент перехода через нуль сигнала нижней частоты фиг.2е) в цифровой код. По окончании цикла преобразования по команде из блока 13 управления выходы АЦП б через блок 8 логических ключей подключаются к информационным входам регистратора 14, полученный кол записывается в регистратор 14 и запоминается (отображается на цифровом табло).

Описанный выше процесс измерений повторяется на каждом периоде сигнала нижней частоты (возможно также двухполупериодное измерение, когда измерения проводятся как в момент перехода сигнала нижней частоты от отрицательных значений к положительным, так и от положительных значений

к отрицательным), а полученная информация осредняется в регистраторе 14.

Записанные в регистраторе 14 отсчеты пропорциональны относительно

фазовому сдвигу между сигналами нижней и верхней частот, причем при изменениях амплитуды сигнала верхней частоты величина измеренного фазового сдвига не меняется. Действительно

если представить сигналы на выходах блоков 4 и 3 в виде

и. А sintft

и A,(3(i/t ),

где А и амплитуда сигналов с частотами ц; и 3 cw соответственно, а If - фазовый сдвиг сигнала .верхней частоты относительно моментов перехода через нуль сигнала нижней частоты, то в момент времени, когда и О, имеем, что J .

Через промежуток времени после . этого момента, равный четверти перида верхней частоты, амплитуда сигнала верхней частоты равна

г

и .

I В предложенном устройстве сигнал

4Q Uj измеряется с помощью АЦП 6, в котором в качестве опорного напряжения используется сигнал с выхода ЦАП 10, амплитуда которого равна Поэтому цифровой код на выходе АЦП 6

45 соответствует тангенсу измеряемого сдвига фаз или, при мгшых фазовых углах непосредственно величине измеряемого фазового угла.

Эффективность предлагаемого устрой50 ства заключается в повышении точности измерений фазовых сдвигов при изменении амплитуды сигнала верхней частоты в широких пределах, что обычно наблюдается при выполнении геоэле55 ктроразведочных работ. Особенно резко - в 5-10 раз - повымает ся точность измерения малых фазовых углов (десятые доли градуса), что позволяет расширить область применения фазовых изjQ мерений без перемещения возбуждающей установки и тем самым повысить производительность труда.

Формула изобретения

Двухчастотное фазометрическое 65 устройство инфранизких частот, соержащее блок согласования, выход оторого соединен с входами блока силения и фильтрации сигнала нижней частоты и блока усиления и фильтрации сигнала верхней частоты, компаратор, вход которого соединен с выходом блока усиления и фильтрации сигнала нижней частоты, а выход - с входами формирователя временного интервала и блока управления, второй выход и первый выход которого соединены соответственно с выходом и вторым входом формирователя временного интервала, а второй выход - с первым входом регистратора, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений при изменении амплитуды сигнала верхней частоты в широких пределах, в него введены аналого-цифровой преобразоёатель, цифроанапоговый преобразователь, оперативное запоминающее устройство, двухвходовой аналоговыйключ, блок логических ключей ИИсточник опорного напряжения, причем первый вход аналого-цифрового преобразователя соединен с выходом блока .усиления и фильтрации-сигнала верхней частоты, зторой вход с третьим выходом блока управления, выход с первым входом блока логических ключей, а третий вход - с выходом двухвходоного аналогового ключа, первый вход,которого соединен с выходом источника опорного напряжения, второй вход с четвертымвыходом блока управления, а третий - с выходом цифроаналогового преобразователя, первый вход которого соединен с вторым выходом источника опорного напряжения, а второй - с выходом оперативного запоминающего устройства, первый вход которого соединен с пятым выходом блока управления, а второй - с первым выходом блока логических ключей, второй вход которых соединен с шестым выходом блока управления, а второй выход - с вторым входом ре- гистратора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Галахова О.П. и др. Основы фазометрии. Л., Энергия, 1976, с.18-19.

2.Авторское свидетельство СССР по заявке № 2708368/18-21,

кл.С 01 R 25/00, 1979.

I/X /X X XX .4 -/. y /

иг.г