Цифровой фазометр

 

ЦИФРОВОЙ ФАЗОМЕТР, содержащий два формирователя, соединенные соответственно с первым и вторым триггерами, первый элемент И, один вход которого соединен с выходом первого триггера, второй вход подключен к выходу генератора, а выход к первому счетчику, второй элемент И, третий триггер, второй, третий и четвертый счетчики, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения сдвига фаз при сохранении требуемого быстродействия , в него введены два двоичных умножителя, дополнительные счетчик и элемент И, один вход которого соединен с выходом третьего триггера, второй вход соединен с генератором, а выход подключен к входам второго и третьего счетчиков, причем входы первого двоичного умножителя соединены с выхода первого и второго счетчиков , выход - с одним входом второ- . го элемента И, второй вход которого соединен с выходом второго триггера, а входа второго двоичного умножителя соединены с выходами третьего и четвертого счетчиков, выход подключен к одному входу дополнительного счет- «g чика, второй вход которого соединен (Л с выходом второго элемента И, а выходы подключены к входам третьего с триггера, при этом вход четвертого счетчика соединен с выходом первого элемента И.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

CAW

РЕСПУБЛИК G 01 R 25/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ н авто СноМУ С датыьСтау. (21) 3315098/18-21 (22) 10. 07. 81 (46) 15.05. 83. Бюл. М 18

{72) Е.Б. Грейз (71) Центральное конструкторское бюро Госкомгидромета (53) 621 ° 317-77(088 ° 8) (56) 1 ° Авторское свидетельство СССР

Р 308381, кл. G 01 R 25/00, 1969.

2. Авторское свидетельство СССР

9 653576, кл. G 01 R 25/00, 1979. (54) (57) ЦИФРОВОЙ ФАЗОМБТР, содержащий два формирователя, соединенные соответственно с первым и вторым триггерами, первый элемент И, один вход которого соединен с выходом первого триггера, второй вход подключен к выходу генератора, а выход— к первому счетчику, второй элемент И, третий триггер, второй, третий и четвертый счетчики, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повышения точности измерения сдвига фаз

„„SU„„ i1018039, А йри сохранении требуемого быстродействия, в него введены два двоичных умножителя, дополнительные счетчик и элемент Й, один вход которого соединен с выходам третьего триггера, второй вход соединен с генератором, а выход подключен к входам второго и третьего счетчиков,. причем входы первого двоичного умножителя соединены с выходами первого и второго счетчиков, выход - с одним входом второго элемента И, второй вход которого соединен с выходом второго триггера, а входы второго двоичного умножителя соединены с выходами третьего и четвертого счетчиков, выход подключен к одному входу дополнительного счет- э чика, второй вход которого соединен с выходом второго элемента И, а выходы подключены к входам третьего триггера, при этом вход четвертого ( счетчика соединен с выходом первого элемента И

1018039

° Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для определения величины фазового сдвига сигналов.

Известен цифровой фазометр, содержащий формирователь, блок управле5 ния, генератор эталонной частоты, счетчик памяти, счетчик сравнения, регистрирующее устройство, управляемые вентили, логический элемент И, две группы схем переноса. В данном ° фазометре результат получают по окончании первого периода исследуемых сигналов (1 ).

Недостатком фазометра является сложность, так как обработка информа-15 ции производится в параллельном и последовательном коде и имеются два режима работы, определяете величиной временного сдвига исследуемых напряжений. 20

Известен также цифровой низкочастотный Фазометр, содержащий формирователь импульсов, соединенный через триггер с первым входом элемента И, второй вход которого соединен с генератором, первый счетчик, выходы которого соединены с первой группой схем переноса, второй счетчик, соединенный поразрядно второй группой схем переноса с третьим счетчиком, выход которого соединен с входом первого счетчика и импульсными входами второй группы схем переноса, дополнительные счетчик, элемент И и триггер, причем счетный вход дополнительного счетчика подключен к генератору импульсов, выходы которо" го соединены с дополнительным элементом И, выход последнего связан с . дополнительным триггером и импульсными входами первой группы схем лере-30 носа„ выходами, подключенными к установочным входам дополнительного счетчика, выход дополнительного триггера связан с управляющим входом дополнительного счетчика, счетным 45 входом второго счетчика и третьим входом элемента И, выход которого соединен с третьим счетчиком. Принцип работы устройства заключается в измерении "текущего" значения сдви- 0

5 га Фаз, для чего от предыдущего значения фазы нужно вычесть приращение фазового сдвига, которое произошло за счет момента этого времени 1.2j.

Недостатком известного устройства является низкая точность измерения сдвига фаз.

Цель изобретения " повышение точности измерения сдвига фаз при сохранении требуемого быстродействия.

Поставленная цель достигается 60 тем, что в устройство, содержащее два формирователя, соединенные соответственно с первым и вторым триггерами, первый элемент И, один вход которого соединен с выходом первого 65 триггера, второй вход подключен к выходу генератора, а выход - к первому счетчику, второй элемент И, третий триггер, второй, третий и четвертый счетчики, введены два двоичных умножителя, дополнительные счетчик и элемент И, один вход которого соединен с выходом третьего триггера, второй вход соединен с генератором, а выход подключен.к входам второго и третьего счетчиков, причем входы первого двоичного умножителя соединены с выходами первого и второго счетчиков, выход — с одним входом второго элемента И, второй вход которого соединен с выходом второго триггера, а входы второго двоичного умножителя соединены с выходами третьего и четвертого счетчиков, выход подключен к одному входу дополнительного счетчика, второй вход которого соединен с выходом второго элемента И, а выходы подключены к входам третьего триггера, при этом вход четвертого счетчика соединен с выходом первого элемента И.

На Фиг..1 приведена структурная схема цифрового фазометра; на фиг. 2 — временные диаграьвы работы устройств.

Цифровой фазометр содержит формирователи 1-и 2, триггеры 3, 4 и 5, генератор 6, элементы И 7, 8 и 9, счетчики 10-13, двоичные умножители, 14 и 15, реверсивный счетчик 16.

Формирователи 1 и 2 предназначены для формирования импульсов прямоугольной формы при переходе через нулевые значения входных сигналов, сдвиг фаэ между которыми измеряется.

Триггер 3 устанавливается в состояние "1" по началу периода первого сигнала и возвращается в состояние

"0". по концу периода этого сигнала, в этот момент и производится считывание результата, который находится в счетчике 10, т.е. триггер 3 формирует интервал времени измерения, соответствующий одному периоду исследуемых сигналов. 1

Триггер 4 устанавливается в "1" по началу периода второго исследуемого сигнала.

Триггер 5 устанавливается пооче редно в состояние "1" и в "0" сигналами с реверсивного счетчика 16 соответственно "Заем" и "Переполнение".

Генератор 6 формирует импульсы постоянной частоты для заполнения измеряемых временных интервалов.

Счетчики 10-13 — двоичные, выходы разрядных триггеров этих счетчиков связаьы с входами двоичных умножителей 14 и 15. Как показано ниже, результат измерения фазы фиксируется в счетчике 10.

10180 39 йюа И

44 Е

10 М аТ-аЧ т-аЧ от=О. (2) Отсюда следует

t5 где 44 и М„- количество импульсов с выхода, .соответствующего индексу при

Н двоичнОго умножителя; эти импульсы пос-20 тупают в число-импульсном коде;

М,Н„,й„,й„ вЂ” число в счетчике, со-. ответствующем индексу при Н;

Š— емкость каждого нз счетчиков 10, 11, 12, и 13, принятая для простоты изложения одинаковой. 30

Реверсивный счетчик- 16 предназначен для счета импульсов, поступающихна его вычитающий вход с выхода эле-мента И 8 и — на суммирукиций вход с. выхода двоичного умножителя 15. При 35 переполнении этого счетчика с его выхода идет сигнал "Переполнение", усФанаэливающий триггер 5 в состояние

"9 ", при поступлении -на вычитающий вход этого счетчика импульса с эле.мента и 8 в момент, когда счетчик 16 обнулен, на выходе счетчика 16 форми- . руется команда "Заем", устанавливающая триггер 5 в состояние "1";

ПринцИп, положенный в основУ работы устройства. По.определению

Ч т аУ (ТЮ дТ

Т1йЛ ла (обозначим этот- момент через tg) с выхода формирователя 2 на вход триггера 4 поступает импульс, устаДвоичные умножители 14 и 15 предназначены для формирования на своем выходе числа импульсов, пропорционального произведению кодов чисел, поступающих на вхбд каждого двоичиого умвожителя с выходов подключенных к нему счетчиков, т.е. верны следую щие соотношениями т 360 . (3) . где — фазовый сдвиг .{в градусах); 0 - интервал времени между на- 5О чалом периода первого исследуемого сигнала и началом периода второго исследуемого сигнала, т.е. между одноименными тачками нс- .55 следуемых сигналов;

Т -. период исследуемых сигналов.

Из (3) следует, что при Г =Т фазо-: вый сдвиг(=360 . Если текущему значению периода т> давать прираще- g) ния AT от момента времени Т, то сдвиг фаз Фо уменьшается на величину

М т..е. из (3) следует, что

q<-äÓ = — - 360 .

Г о т+Ь Т 65

Избавимся от знаменателя s этом выражении: (Ч в — Д ) (Т + AT ) 360

Ч Т+ дТ-,а q o Т-ЬФЪТ ЧГ 360 .

Учтем, что иэ (3) следует т Т 360 и, сделав соответствующие сокращения, получим

Из (4) следует важный выводг если, начиная с момента =Т, на каждое приращение AT формировать число:

A4 ", удовлетворяющее соотношение (4), и вычитать зто число из сЯетчика результата, в котором в момент С=Т установлено число 360О, то в счетчике результата в любой момент. времени находится число P, соответствующее формуле (4), т.е. фазовый сдвиг. устройство работает следующими образом.

По команде "Начальная установка" (шины этой команды не показаны) триггер 3 устанавливается в состояние "О" (при этом с его выхода на элемент И 7 поступает потенциал запрета), триггер 4 устанавливается в "О" (запрет на элемент И 8), триггер 5 .устанавливается в "0" (запрет на элемент И 9), счетчики 11, 12 н 13 обнуляются, s счетчик 10 устанавливается код 360, реверсивный счетчик 16 обнуляется. Команда

"Начальная установка" снимается.

В момент перехода через нулевое, значение первого исследуемого сигнала (обозначим этот момент через t4) с выхода формирователя 1 на триггер 3 поступает импульс, .устанавли- . вающий триггер 3 в состояние "1"..

Тем самым сииМается запрет на прох ищеиие импульсов генератора 6 через элемент И 7. С выхода элемента

И 7 импульсы поступают на суммирование в счетчики 11 и 12. Отметим, что при этом импульсы с двоичного умножителя 14 через элемент И 8 не проходят - на входе элемента И 8 запрет-с триггера 4.

В момент перехода через нулевое значение второго исследуемого сигна1018039 импульс через элемент И 8 поступает на вычитающий вход реверсивного счет- 10 чика 16. Команда "Заем" с выхода его (5) ЬЯ - F Üò, И

1 М Ь b È44

Е (7) так как дйлл импульсов вызвали появление одного импульса на выходе двоичного умножителя 14. Поэтому, с учетом того, что в момент. t значение и 0 =360 и с учетом {6) можно ло выражение (7) записать в виде

360е F,дТ

Определим сколько импульсов генератора 6 поступит в счетчик 13, чтобы на выходе двоичного умножителя

15 сформировался первый импульс.

Обозначим это число через &.N„ . Иэ (2) следует, что

1 ЬЯ- айй (9

E навливающий триггер 4 в состояние "1".

С триггера 4 на вход элемента И 8 .подается теперь разрешающий потенциал.

Заполнение счетчика 11 импульсами генератора б, проходящими через элемент И 7, продолжается, поэтому это обязательно вызывает появление ггервого (считая от момента t ) импульса с выхода двоичного умножителя 14.Этот поступает на вход триггера 5 и устанавливает триггер 5 в "1". С выхода триггера 5 на элемент И 9 сформирован сигнал разрешения, поэтому импульсы генератора б через элемент И начинают поступать на вход счетчика

10 (вычитающий вход) и на вход счетчика 13. Заполнение импульсами счетчика 13 вызывает появление первого импульса на входе двоичного умножителя 15. Этот импульс поступает на суммирующий вход реверсивного счетчика 16, так как мы рассматриваем случай, когда на вычитающий вход счетчика 16 до.настоящего момента импульс ца элемента И 8, тс поступление одноro импульса на суммирующий вход реверсивного счетчика 16 вызывает появление команды "Пс я-:. олнение" на выходе этого счетчика, и реверсивный счетчик 16 обнуляется. Команда

"Переполнение" с выхода реверсивного счетчика 16 возвращает:триггер

5 в состояние "0", те л са ым прекращается прохождениe:импульсов через элемент И 9. Обозначим этот момент времени через t . После этого моменЭ та, так как заполнение счетчика 11 продолжается, с выхода двоичного умножителя 14 поступит второй (считая от момента t ) импульс, и далее устройство функционирует аналогично описанному после момента поступления первого импульса с двоичного умножителя 14, И так далее, Нами рассмотрен случай, когда в реверсивный счетчик 16 поступает на вычитающий вход сначала один импульс с выхода элемента H 8, а затем посту- 50 пает один импульс на суммирующий вход счетчика 16 с выхода двоичного умнбжителя 15, обнуляя реверсивный счетчик 16 и, соответственно,. устанавливая триггер 5 в "0". :. Однако может быть и ситуация, когда на вычитающий вход реверсивного счетчика 16 поступят несколько импульсов с выхода элемента И8, и только после этого начнут поступать импульсы на суммирующий вход реверсивного счетчи- Ж ка 16. Эта ситуация возникает, если к моменту установки триггера 4 в состояние "1" число в счетчике 12 меньше числа в счетчике 10 т.е. меньше

360. В этом случае команда "Перепол- 65 нение" на выходе реверсивного счетчъг ка 16 возникает после поступления на суммирующий вход этого счетчика такого же реверсивного счетчика 16. Это явление обязательно произойдет, так как с выхода двоичного умножителя

14 импульсы идут все реже (число в счетчике 10 — фазовый сдвиг уменьшается), а с выхода двоичного умножителя 15 импульсы идут все чаще (число в счетчике 12 увеличивается, и наступает момент, когда число в счетчике 12 станет больше числа в счетчике 10). Тогда описанный порядок функционирования (т.е. когда на вычитающий и суммирующий входы реверсивного счетчика 16 поочередно поступает по одному импульсу) сохраняется. Следовательно, реверсивный счетчик 16 осуществляет контроль эа равенством количества импульсов с выхода двоичного умножителя 14 и количества импульсов с выхода двоичного умножителя 15. Когда такого равенства нет, т.е. счетчик 16 не обнулен, то импульсы с выхода генератора б через элемент И 9 проходят.

Перейдем к рассмотрению чисел в счетчиках 10-13. В момент времени с в счетчиках 11 и 12 записаны числа где F — частота генератора б.

Определим сколько импульсов генератора б поступит в счетчик 11, чтобы на выходе двоичного умножителя

14 сформировался первый (от момента

t ) импульс. Обозначим это число через Ьй+, где. ЬТ - время от момента t< до по . явления первого импульса с выхода двоич ного умн ожи теля 1 4 .

Из (1 ) следует

1018039 так как появление 641Э импульсов вызывает появление одного импульса на выходе двоичного умножителя 15, В вто время число в счетчике 12 равно

М„-(W+йТ)- У, (10) . т.е. выражение (9) эюжно записать как

- - :.——

Из (11) и (В) след ует., что

360 «F. ЬТ откуда

360 Дт - (ЖаТ) AN„

Следовательно, 360 ьТ 1Э C ИЦ (12) 25

Ьй д go.

В устройстве это значение Ай.1Э вычитается из значения s счетчике 10, т.е. в счетчике 10 находится теперь новое значение фазы, соответствующее приращению интервала AT. При дальнейЕсли в выражение (4) подставить значение 1=360о для первого после окончания интервала 3 приращения ЬТ, то получим выра сение (12) A это го- 30 ворит .о том, ч7о шем увеличении АТ- иэ счетчика 10 вновь вычитается соответствующее колйчество импульсов и в этом счетчике вновь будет значение фазы на текущий момент времени. Это доказывается аналогично описанному.

Измерение заканчивается в момент второго перехода через нулевое значение первого .исследуемого сигнала.

При этом триггер 3 возвращается в состояние "О" импульсом с формирова- теля 1, импульсы генератора 6 через элемент И 7 на вход счетчика 11 не .проходят, и, следовательно, на выходе двоичного умножителя .14 импульсов также не будет. Результат измерения считывают со счетчика 10.

Технико-экономический эффект предлагаемого изобретения заключается в повышении точности измерения при сохранении требуемого, теоретически максимального, быстродействия.

Частота генератора в .предлагаемом устройстве исцольэуется с максимально возможной эффективностью, так как устройство реагирует" на минимально возэюжное приращение периода.

Например, если измерения проводятся с дискретностью в 1, емкость счетчиков 10 н 11 равна 512, то второй импульс генератор 6 на входе счетчика 11 дает импульс на выходе двоичного умножнтеля 14 и, соответственно, изменяет. значение фазы угла (уменьшает его от 360 ). Действительно, йй Э 2;.И .360 ; Е 512 и из выражения (1) следует

360 2 52

1018039

AN;!

Составитель М. Катанова

Редактор М. Бандура Техред К.Мыцьо Корректор Ю. Макаренко

Заказ 35 31/44 Тираж 710 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4