Способ измерения сдвига фаз и устройство для его осуществления Советский патент 1982 года по МПК G01R25/00 

(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СДВИГА ФАЗ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при создании ци фовых фазометров для измерения сдвига фаз электрических колебаний низкой частоты. Известен способ измерения фаз, заключающийся в том, что подсчитывают за калиброванный интервал времени число периодов известной частоты, попавших в промежутки времени между моментами смены полярности входных сигналов, причем дискретно изменяют в течение начального промежутка време частоту заполнения с приходом каждого импульса с выхода irvi -го разряда счет чика, перезаписывая при этом единицу в том же разряде, запоминают частоту счета, которой заполняют счетчик, и затем фиксируют появление импульса в предпоследнем разраде счетчика, чтобы с приходом после этой фиксации KMnynb са окончания ближайшего из набора калиброванных интервалов времени, начало которых совпадают, закончить счет Г 1 . К недостаткам известного способа относятся большое время измерения (несколько периодов измеряемых колебаний), что может привести к значительной ошибке в измерении, если за время измерения фазойый сдвиг меняется; кроме того, поясвляется дополнительная погрешность измерения сдвига фаз из-за несинхронности окончания калиброванного интервала времени и конца интервала фазы. Наиболее близким к предлагаемому является способ измерения сдвига фаз, заключающийся в том, что подсчитываются импульсы частоты счета за временной интервал, пропорциональный сдвигу фаз исследуемых колебаний, за интервал времени, пропорциональный периоду исследуемых колебаний, дискретно изменяют частоту счета с каждым переполHeuH iM счетчика, запоминают частоту

счета, при этом количество импульсов, пропорциональное значению остатка от делания периода исследуемых колебаний на число, кратное минимальному периоду исследуемого колебания, записанному в счетчике, равномерно распределяют по периоду исследуемых колебаний, одновременно вычитая их из импульсов частоты счета, заполняющих временной интервал, пропорциональный сдвигу фаз f 2 J .

Недостаток такого способа - пониженная точность измерения, обусловленная динамической погрешностью. Кроме того при измерении сдвига фаз на низких и сверхнизких (инфранизких) частотах значительно время измерения (до двух периодов частоты исследуемых колебаний).

Известно устройство для изменения сдвига фаз, содержащее формирователь, соединенный через блок управления с входами первого и второго вентилей, дешифратор, соеданенный с первыми входами группы элементов И, счетчики и регистрирующий счетчик, преобразователь код-напряжение, управляющий генератором ударного возбуждения 3 .

Недостатком такого устройства является низкая точность. Кроме того, перед началом измерения требуется некоторое время для предварительной установки частоты и последующей автоматической подстройки частоты генератора ударного возбуждения. При неправильном захвате частоты схемой автоподстройки (более чем однократное nepenojtнение делителя) сдвиг фаз измеряется неточно.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является цифровой фазометр, содержащий формирователь, блок управления, элементы И, счетчики, блок вычитания импульсов, двоичный умножитель, генератор опорных частот, дещифратор, группу элементов И, элемен ИЛИ .

Недостаток известного устройства невысокая точность измерения, обусловленная динамической погрещностью, когда на первом такте работы устройства измеряется период Т, а на втором такте, во время измерения tT , значение Т может быть иным. Другим недостатком является то, что время измерения сдвига фаз может достигать величины двух периодов исследуемых колебаний. При измерении сдвига фаз на низких и инфранизких частотах это время может быть значительным.

Цель изобретения повыщение точности измерения и быстродействия.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения сдвига

фаз, заключающемся в том, что заполняют период исследуемых колебаний импульсами первой частоты счета, дискретно уменьщарт эту частоту с каждым переполнением счетчика, заполняют времен-

ной интервал, пропорциональный сдвигу фаз импульсами, равномерно распределяют количество импульсов, пропорциональных значению остатка от деления периода исследуемых колебаний на число,.

5 кратное минимальному периоду исследуемых колебаний, на первом такте формируют вторую частоту счета, дискретно увеличивают ее с каждым переполнением счетчика и заполнение Временного интервала пропорциональQ ного сдвигу фаз, осуществляют импульсами постоянной частоты, запоминают полученное количество импульсов на втором такте, одновременно формируют временной интервал, списыванием заломнен5 ного количества импульсов импульсами второй частоты счета, ,при этом распределение производят по максимальному значению сформированного временного интервала, соответствующего сдвигу фаз

U ЗбО, вычитая их из импульсов постоянной частоты, по полученной разности судят о сдвиге фаз .

В устройство для осуществления способа измерения савига фаз, содержащее генератор частот, первые выходы которого через первую группу элементов И, другие входы которых соединены с выходами первого дещифратора, соединены с входами первого элемента ЯЛИ, выход которого соединен с входом первого элемента И, другой вход которого соединен с первым входом устройства, а выход соединен с входом счетчика, старщие разряды которого соединены с входами первого дещифратора, а младшие разряды соединены с первым входом блока деления, второй элемент И, один вход которого соединен с вторым входом устройства, введены вторая группа элементов И, второй дешифратор, второй элемент ИЛИ, реверсивный счетчик, третий и четвертый элементы И, формирователь и триггер, входы которого соединены с выходами реверсивного счетчика и формирователя, вход которого соединен с первым входом устройства, вторые входы генератора частот через вторую группу элементов И, другие входы которых соединены с выходами второго дешифратора. соединены с входами второго элемента ИЛИ, выход которого соединен с первым входом третьего элемента И, третий вкод генератора частот соединен с вторым входом втброго элемента И и первым входом четвертого элемента И, вто рые входы третьего и четвертого элеме тов И соединены с выходом триггера, выходы второго и третьего элементов И соединены с суммирующим и вычитающим входами реверсивного счетчика соответственно, выход четвертого элемента И соединен с входом блока деления, причем входы второго дешифратора соединены с. выходами старших разрядов первого счетчика. На чертеже изображена функциональная схема устройства для осуществлени способа измерения сдвига фаз. Устройство содержит формирователь 1, триггер 2, элементы И 3-6, счетчи 7 с младшими разрядами 8 и старшими разрядами 9, блок 10 деления, в соста которого входят блок 11 вычитания импульсов, двоичный умножитель 12, счетчик 13, реверсивный счетчик 14, дешифраторы 15 и 16, генератор 17, группы элементов И 18 ...18, 19 ... ±9 , элементы ИЛИ 2О и 21. На пер вый вход 22 устройства поступает сигнал периода Т исследуемых колебаний. На второй вход 23 - сигнал интервала 1Г , который прямопропорционален сдвиг фаз. Сдвиг фаз измеряют с помощью устройства следующим образом. На первом такте работы устройства на вход 22 поступает сигнал Т , на вход 23 - сигнал Т где 4 - сдвиг фаз. Генератор 17, группа элементов И 18, элемент ИЛИ 21, дешифратор 15 предназначены для формирования второй частоты счета Генератор частот17, группа элементов И 19, элемент ИЛИ 21 дешифратор 16 предназначены для формирования первой частоты счета РСЧ Дешифраторы 15 и 16 предназначены для определения участка {номера диапазона), в котором находится значение Т , На врем Т элемент И 3 открыт, на его второй вход поступают импульсы первой частот счета РСЧ( выхода элемента 21 ИЛ Исходная частота на выходе генератора 17 частот выбирается из условия. г .г г - 60 . дч д t| - заданная дискретность измерения сдвига фаз; F, v максимальная частота исУМСдлследуемых колебаний. За период Т счетчик 7 управляет работой генератора 17 частот, уменьшая (увеличивая) частоту РСЧ- СЧа выходе элемента ИЛИ 21 (ИЛИ 20) в К раз при каждом переполнении младших разрядов 8 счетчика 7 ( К- аелое число, равное выбранному увеличению текущего значения, измеряемого периода по отношению к ранее измеренному,, в случае двоичных счетчиков К 2).v Емкость М младших разрядов 8 счетчика 7 соответствует заданной дискретности измерения сдвига фаз ц oyyiivoПри переполнении импульсами первой частоты счета младших разрядов 8 в старшие разряды 9 счетчика 7 записывается один импульс (это означает, что вышли на границу первого рабочего диапазона, гдеТ7/Ту и в этом случае частота Q не изменяется). Если до окончания периода исследуемых колебаний младшие разр5щы 8 счетчика 7 не переполняются импульсами -ч,. - Г, то на этом первый такт измерения заканчивается. В младших разрядах 8 счетчика 7 ааписано значение fvjj - oCт-т,,), - Л Т - -И1ОХЕсли до окончания периода исследуемых колебаний младшие разр5щы 8 счетчика 7 переполняются еще раз, в старшие разряды 9 счетчика 7 поступает еще один импульс, дешифратор 16 подает разрешение на элемент И из группы 19 -19 , на второй вход которого поступает частота , а дешифратор 15 подает разрешение на элемент И из группы 18 -18 , на второй вход которого поступает частота 2 FQ Коли до окончания периода исследуем7з1х колебаний младшие разряды 8 счетчика 7 не переполнятся импульсами 1(-ц-Г0|2 то

на этом первый такт измерения заканчивается. В младших разрядах 8 счетчика 7 записано значение Nа

--().

«аЕсли до окончания периода исследуемых колебаний младших разрядов 8 счетчик 7 переполнится еще раз, то в старшие разряды 9 счетчика 7 поступает еще один импульс, дешифратор 16 подает разрешение на элемент И из группы 19 -19 , на второй вход которого поступает частота Fo|4, а дешифратор 15 подает разрешение на элемент И из группы 18 -18, на второй вход которого поступает частота 4 FQ и т.д. до окончания периода исследуемых колебаний. После окончания первого такта измерения на выходе элемента ИЛИ 21 устанавливается частота F сщ

W( «-trtleo,; - целая часть выражения в скобка На выходе элемента ИЛИ 2О устанавливается вторая частота счета fcMt Ч-о 2 В младших разрядах 8 счетчика 7 запи сано количество импульсов N сч ii -- РСЧ Т- -- РсчТДругими словами, перед началом измерения устройство подготовлено для измерения сдвига фаз на максимальной частоте исследуемы колебаний, если же частота меньше, то автоматически подстраивается первая частота счета ц (вторая частота счета FCMO зaвиcI мости от частоты исследуемых колебани Кроме того, на первом такте измерения ., временной интервал чГ, поступающий на ,. вход элемента И о, заполняется имгпульсами постоянной частоты го , посту паюшей на второй вход. Количество импульсов NC, поступивших через элемент И 5 на суммирующий вход реверсивного счетчика 14 равно NC г 60°

По заднему фронту периода исследуемых колебаний Т формирователь 1 вырабатывает импульс, который устанавливает триггер 2 в состояние 1, и

начинается второй такт измерения. На вычитающий вход реверсивного счетчика 14 через элемент И 6 будут поступать импульсы частоты . После обнуления счетчика 14 импульс обнуления с

его выхода поступает на вход триггера 27 озвращая его в исходное, нулевое состояние. На этом второй такт измерения заканчивается. Время Ъ , в течение которого триггер 2 находился в состоя-

НИИ , равно

Ч

.... МТ .FpMT

-1

tf----О

РСЧ 360 ах бо

За время -t через элемент И блока 1О деления поступают частоты FO

Nnг „-Ff,-м ч i 10 i-i

11

К

М

где N - емкость счетчиков 8 и 13. (-1)-о; Р -F -F 41 о 4-1 ы .-lo .. Н,.. т - т хч За время -Ь на выходе блока 11 вычитания импульсов на выход устройства по- ступает количество импульсов VI ух , N . nW у S 360 ( 360° 360 & f которое зависит только от измеряемого сдвига фаз и не зависит от частоты исследуемого колебания и генератора частот. По сравнению с известным способом и устройством, осуществляющим данный и jri iuuHv iBujM, ииущыи ваяющим данный ;. способ, в предлагаемом изобретении повышена точность измерения, поскольку г- F и период т , и интервал tотносятся к одному периоду исследуемых колебаний. Кроме того, быстродействие измерения также повышено за счет того, что на втором такте формируется временной интервал в К раз менее короткий, чем интервал на первом такте измерения.

Формулаизобретения

интервал списыванием запомненного количества импульсов импульсами втopoйv частоты счета, при этом распределениеv производят по максимальному значению сформированного временного интервала, соответствующего сдвигу фаз , вычитая их из импульсов постоянной частоты, по полученной разности судят о сдвиге фаз.

входами первого дешифратора, а младшие разряды соединены с первым входом блока деления, второй элемент И, один вход которого соединен с вторы входом устройства, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и быстродействия, в него введены вторая группа элементов И, второй дешифратор, второй элемент ИЛИ, реверсивный счетчик, третий и четвертый элементы И, формирователь и триггер, входы которого соединены с выходами реверсивного счетчика и формирователя, вход которого соединен с первым входом устройства, вторые выходы генератора частот через вторую группу элементов И, другие входы которых соединены с выходами второго дешифратора соединены с входами второго элемента ИЛИ, выход которого соединен с первым входом третьего элемента И, третий вход генератора частот соединен с вторым входом второго элемента И и nepBbnvi входом четвертого элемента И, втрые входы третьего и четвертого элемент И соединены с выходом триггера, выходы второго и третьего элементов И соединены с суммирующим и вычитающим входами реверсивного счетчика соответственно, выход четвертого элемента И соединен с входом блока деления, причем входы второго дешифратора соединены с выходами старших разрядов первого счетчика.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

5lIb-t@: uJj

&

oo-orac