Устройство для измерения угла сдвига фазы синусоидальных напряжений

 

УСТРОЙСТЁО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛА СДВИГА ФАЗ СИНУСОИДАЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ, содержащее задатчик измерительного времени, одним входом соединенный с шиной опорного . напряжения, а вторым - с внешним командным сигналом, интегратор, соединенный с управляющим выходом задатчика измерительного времени, . о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения быстродействия устройства и трчности измерения : угла сдвига фазы синусоидальных ,на-г . Пряжений, в него дополнительно введены вычитатёль двух напряжений,. аналого-цифровой преобразователь, .вычислительный блок, два двухполупериодных выпрямителя, два интегр.атора и, ключевые элементы,.причем первый вход вычитателя Двух напряжений и вход первого двухполупери одного выпрямителя соединены .с шиной опорного напряжения, второй вход вычитателя двух напряжений и вход второго двухполупериодного выпрямителя соединены с шиной исследуемого напряжения, а выход вы JИтaтeля двух напряжений соединен с входом первого интегратора через первый ключевой элемент, при этом выход первого двухполупериодного выпрямителя соединен с входом первого дополнительного интегратора через второй ключевой элемент, а выход второго двухполупер1юдного выпрямителя - с входом второго дополнительного интегратора через третий ключевой элемент, выход первого интегратора соединен с первым аналоговым входам аналого-цифрового преоб (О разователя через четвертый ключевой элемент, выход первого дополнительного интегратора соединен с вторым аналоговым входом аналого-цифрового преобразователя через пятый ключевой элемент, выход Звторого дополнительного , -интегратора соединен с первым аналоговым, входом аналого-цифрового преобразователя.через шестой ключе05 вой .элемент, информационный выход 4 ГчЭ ISD аналозго-цифрового преобразователя соединен с информационным входом вычислительного блока, а управляйщий вход аналого-цифрового преобразователя и управляющие входы ключеЧ вых элементов соединены с выходами задатчика измерительного времени.

„.Я0„„1064227

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

М50 G 01 8 .25 00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ "

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (1 (21) 3463344/18-21 (22) 05.07.82 (46) 30.12.83. Бюл. 9. 48 (72) В. В.Гетьман, Л.A.Æóê, A.Ã,0ëåéíèêîâ и Н.Е.Синицкий (71) Опытное конструкторско-технологическое бюро с опытным производством института металлофизики AH УССР (53) . 621, 317. 77(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

Р 412563, кл. G 01 R 25/00, 1975

2. Авторское свидетельство СССР

М 187148, кл. G 01 R 25/00,: 1956 ° (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

УГЛА СДВИГА ФАЗ СИНУСОИДАЛЬНЫХ

НАПРЯХ(ЕНИЙ, содержащее задатчик измерительного времени одним входом соединенный с шиной опорного напряжения, а вторым — с внешним командным сигналом, интегратор, соединенный с управляющим выходом задатчика измерительного временй, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что„ с целью повышения быстродействия . устройства и точности измерения угла сдвига фазы синусоидальных на-, пряжений, в него дополнительно введены вычитатель двух напряжений, аналого-цифровой преобразователь, вычислительный блок, два двухполу.периодных выпрямителя, два интегратора и. ключевые элементы,.причем первый вход вычитателя двух напряжений и вход первого двухполупериодного выпрямителя соединены;с шиной опорного напряжения, второй вход вычитателя двух напряжений и вход второго двухполупериодного выпрямителя соединены С шиной исследуемого напряжения, а выход вычитателя двух напряжений соединен с входом первого интегратора через первый.ключевой элемент, при этом выход первого двухполупериодного выпрямителя соединен с входом первого дополнительного интегратора через второй ключевой элемент, а выход второго двухполупериодного выпрямителя — с входом второго дополнительного интегратора через третий ключевой элемент, выход первого интегратора соединен с первым аналого- ® вым входом аналого-цифрового преобразователя через четвертый ключевой элемент, выход первого дополнительного интегратора соединен с вторым С аналоговым входом аналого-цифрового преобразователя через пятый ключевой Я элемент, выход второго дополнительйого, интегратора соединен с первым аналоговым. входом аналого-цифрового преобразователя через шестой ключевой .элемент, информационный выход аналого-цифрового преобразователя соединен с информационным входом вычислительного блока, а управляющий вход аналого-цифрового преобразователя и управляющие входы ключевых элементов соединены с выходами задатчика измерительного времени, 1064227

Uan = Uac

1/ЯС = Eas ()) (2) Изобретение относится к злектроизмерительной технике и может быть использовано при построении цифровых фаэометров.

Известно цифровое устройство для измерения угла сдвига фаз между опорными и исследуемым сигналами, со.держащее полосовой фильтр, аналогоцифровой преобразователь, множительное устройство, накапливающий сумматор, генераторы дискретных аргументов и амплитуд, устройство определения отношения, тригонометрические преобразователи и линии задержки (1 ).

Недостаток указанного устройства заключается в сложности конструкции из-за наличия в его структуре узлов различного функционального назначения, Для измерения устройством фазы исследуемого сигнала по отношению к опорному необходимы априорные значения о законах амплитудной и фазовой модуляций исследуемого сигнала и его частоте., Отклонение закона амплитудной или фазовой модуляции исследуемого сигнала от ожидаемой и изменение частоты исследуемого сигнала снижают точность измерения угла сдвига фазы между двумя сигналами.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является суммо-разностный фаэометр инфраниэкой частоты, содержащий эадатчик измерительного времени, два реостатных аттенюатора, отсекатель положительной полуволны суммарного" напряжения, интегратор, регистрирующий прибор, Входами устройства являются шины опорного и исследуемого напряжений, которые через реостатные аттенюаторы соединены с входами сумматора двух напряжений, Шина опорного напряжения подключена к входу задатчика измерительного времени. Выход сумматора двух периодических напряжений через отсекатель положитель ной полуволны суммарного, напряжения соединен с интегратором, а выход интегратора — c входом регистрирующего прибора. Управляющий вход задатчика измерительного времени соединен с внешним командным сигналом, источником которого в устройстве является кнопка. Управляющий выход эадатчика измерительного времени, обуславливаю щий длительность интегрирования суммарного напряжения, соединен с интег ратором f2>, Анализ известного устройства показывает, что измерение фазы между опорным Uan и исследуемым Uäa напряI жениями возможно при выполнейии условий: где 2/RC - постоянная интегратора известного устройства.

Для выполнения условия (1 ) необходимо с п омощью дополнит ел ь ных средств (например, с помощью ампли5 тудного вольтметра ) произвести измерение амплитуды исследуемого сигнала, а далее с помощью аттенюаторов опорного и исследуемого напряже ний обеспечить равенство их амплитуд. Разделение по времени процедур измерения исследуемого сигнала, согласования с амплитудой опорного . сигнала и собственного измерения фазы между двумя сигналами обусловливает низкое быстродействие известного устройства, Невыполнение условий (1 ) и (2) снижает точность измерения фазы между двумя сигналами. Дополнительным фактором, снижающим точность измерения фазы между двумя сигналами, является погрешность, обусловленная действием смещения нулевых линий периодических сигналов и действием синфаэной помехи на входы сумматора известного устройства. Например, при смещении нулевых линий периодических сигналов, вектор напряжения на выходе сумматора будет равен (3) 2 (U о + UaÄ )cos Ч /2, 30

Ua — напряжение смещения нулевых линий периодических сигналов, Наличие составляющей 20О в суммарном напряжении 0 повлечет за

35 собой погрешность вычисления фазы Ч

Цель изобретения — повышение быстродействия устройства и точности измерения угла сдвига фазы синусоидальных напряжений.

40 Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения угла сдвига фазы синусоидальных напряжений, содержащее задатчик измерительного времени, одним входом со45 единенный с шиной опорного напряжения, а вторым — с внешним командным сигналом, интегратор, соединенный с управляющим выходом задатчика измерительного времени, введены вычитатель двух напряжений, аналого-цифровой преобразователь, вычислительный блок, два двухполупериодных выпрямителя, два интегратора и ключевые элементы, причем первый вход вычителя двух напряжений и вход первого двухполупериодного выпрямителя соединены с шиной опорного напряжения, второй вход вычитателя двух напряжений и вход второго двухполупериодного выпрямителя соединены с-шиной ис60 следуемого напряжения, а выход вычитателя двух напряжений соединен с входом первого интегратора через первый ключевой элемент, при этом выход первого двухполупериодного выпрямителя соединен с входом первого до1064227

20 устройства. вычитания обеспечивает ему подавание синфазной помехи при уровнях помехи, 3начительно превышающей полезный сигнал.

Интеграторы 3,9 и 13 реализованы по традиционной схеме на операционных усилителях с RC -цепями. Номиналы сопротивлений р и емкостей С в цепях обратных связей операционных усилителей идентичны (обеспечивается их относительное равенство ).

35 реализация двухполупериодных вы1 прямителей основана на известных схемотехнических решениях.

АЦП 4 в предлагаемом устройстве производит преобразование аналоговых

40 напряжений в цифровые эквиваленты по методу последовательного приближения (поразрядного кодирования). Аппаратурная реализация АЦП основана на известных решениях.

45 В качестве блока 5 использована одноплатная микро-3ВМ "Электроника

К1-20" К580 имеющая в своем составе процессорное устройство, постоянное запоми нающее устройство (ПЗУ), порт вводавывода. В ячейках ПЗУ защита программа алгоритмического вычисления процессорным устройством угла Ч из

65 полнительного интегратора через второй ключевой элемент, а выход второго двухполупериодного выпрямителя -, с входом второго дОполнительного интегратора через третий ключевой элемент, выход первого интегратора соединен с первым аналоговым входом аналого-цифрового преобразователя через четвертый ключевой элемент, выход первого дополнительного интегратора соединен с вторым аналоговым входом аналого-цифрового преобразователя через пятый ключевой элемент, выход второго дополнительного интегратора соединен с первым аналоговым входом аналого-цифрового преобразователя через шестой ключевой элемент, информационный выход аналогоцифрового преобразователя соединен с информационным входом вычислительного блока, а управляющий вход аналого-цифрового преобразователя и управляющие входы ключевых элементов соединены с выходами задатчика из- мерительного времени, На чертеже изображена Структурная схема предлагаемого устройства.

Устройство для измерения угла сдвига фавы синусоидальных напряжений содержит задатчик 1 измерительного времени, вычитатель 2 двух напряжений, интегратор 3, аналого-цифровой преобразователь (АЦП !4, вычислительный блок 5, ключевые элементы б и 7, двухполупериодный выпрямитель 8 и первый дополнительный интегратор 9, ключевые элементы 10 и 11, двухполупериодный выпрямитель

12, второй дополнительный интегратор

13 и ключевые элементы 14 л 15, Входами устройства являются шины опорного и исследуемого напряжений, Шина опорного напряжения соединена с задатчиком 1, с первым входом вычитателя 2 двух напряжений и с входом двухполупериодного выпрямителя

8, а шина исследуемого напряжения с вторым входом вычитателя 2 двух напряжений и с входом двухполуиериодного выпрямителя 12. Выход вычитателя 2 двух напряжений.через клю чевой элемент б подключен к входу

-интегратора 3, Выход двухполупериодного выпрямителя 8 через ключевой элемент 10 соединен с входом интегратора 9. Выход двухполупериодного выпрямителя 12 через ключевой элемент 14 подключен к входу интегратора 13. Выходы интеграторов 3 и 13 через ключевые элементы 7 и 15 соединены с первым, входом АЦП 4, являющимся входом измеряемого напряжения. Выход интегратора 9 через ключевой элемент 11 соединен с вторым входом АЦП 4, являющимся входом эталонного напряжения. Цифровой вы. ход АЦП 4 подключен к входу блока 5.

Управляющий вход задатчика 1 соединен с блоком 5, который является также источником командного сигнала.

Управляющие входы ключевых элементов

6,7,10,11 14,15 и АЦП 4 подключены к управляющим выходам задатчика 1.

Задатчик 1 по моментам перехода опорного напряжения через нулевой уровень формирует последовательность управляющих работой ключевых элементов 6,7,10,11,14 и 15 и запуском

АЦП 4 сигналов в соответствии с алгоритмом функционирования предлагаемого устройства.

Время замкнутого состояния ключевых элементов 6,10 и 14 определяется полупериодом переменного. напряжения, а время замкнутого состояния ключевых элементов 7,11 и 15 — временем аналого-цифрового преобразования сигналов АЦП 4.

Вычитатель 2 двух напряжений реализован по схеме усилителя с дифференциальными симметричными (незаземленными ) входами на трех операционных усилителях. Такое построение, обратной тригонометрической функции огссоз . С помощью порта ввода-вывода обеспечивается передача информации блока 5. с AIIII 4 и задатчика 1.

Устройство для измерения угла сдвига фазы синусоидальных напряжений работает следующим образом.

В исходном состоянии все ключевые элементы разомкнуты. Начало измерения угла. сдвига фазы задается задатчику 1 командным импульсом с блока

5, Задатчик 1 в момент перехода опорного напряжения через нулевой

1064227 уровень переводит ключевые элементы

6,10 и 14 в замкнутое состояние на время равное периоду переменного напряжения. Напряжения с выхода вы- читателя 2 и с выходов выпрямителей

8 и 12 поступают соответственно на 5 интеграторы 3,9 и 13 и интегрируются ,в течение времени, определяемого замкнутым состоянием ключевых элементов 6,10 и 14. По истечении времени равного полупериоду переменного напряжения задатчик 1 переводит ключевые элементы 6,10 и 14 в разомкнутое состояние. По окончании времени интегрирования напряжения на выходах интеграторов 9,13 и 3 соответственно )5 равны:

„ /w+ Т!2 Ч) /up+I/2

J>z (n(wt-P„))dt=,о

Ч„/w /q/w (4) 2 m on .

tw p

Ч„w+T/2 Ч,)/и)+Т/2

)u„,(tl)at= J (u „,в п(м-ю;ч)(ве=

Ч„/м Ч (ш

2U 30

muc (5)

LAN P

Ч) (и + Т/2 (О (Ф -Оц (1})Н- Π— О . сов1)

I е где U „ и 0 — амплитудные значения соответственно 40

m uc опорного Uon (t) и исслелуемого UÄc(kl напряжений; и — частота;

Т вЂ” период переменных напря- 45 жений; / — измеряемый угол сдвига фа зы между двумя н апр яжениями начальная фаза переменно1 50 го напряжения;

Р— постоянный коэффициент интегрирования (у интеграторов коэффициенты равны)..

Далее задатчик 1 переводит в замкнутое состояние ключевые элементы

11 и 15, тем самым подключая выходы интеграторов 9 и 13 к аналоговым входам AUII 4. По сигналу с задатчика

1,происходит первый запуск АЦП 4, и в результате преобразования на выхо- 60 де АЦП 4 будет сформирован двоичный цифровой код .

Оп ис

О оп 65

1 где и -,число двоичных разрядов

АЦП 4)

S - постоянный коэффициент, эавип ) сящий от типа АЦП 4;

N -максимальный цифровой экви)и валент аналого-цифрового преобразования измеряемого напряжения в единицах эталонного напряжения.

КОд й1 засылается в память блока

5, Далее задатчик 1 переводит ключевой элемент 15 в разомкнутое состояние, а ключевой элемент 7 — в замкнутое, По сигналу с задатчика 1 происходит второй запуск АЦП 4, и в результате преобразования на выходе АЦП 4 будет сформирован двоичный цифровой код т оп шис (() on (m uc ) (2 ") сОэЧ= М х

2 и ") ()я ис (2"- )) Оп1 ис

mon m on хМ созе . .(s)

Код й2 пересылается в блок 5, а эадатчйк 1 переводит ключевые элементы 7 и 11 в разомкнутое состояние °

С учетом выражений (7) и (8 1 блок 5 производит вычисление искомого угла )" иэ выражения

Na

V = all Co& — —

N1

На этом процесс измерения угла сдвига фаэ двух напряжений заканчивают.

Благодаря введению в устройство для измерения угла сдвига фазы двух напряжений вычитателя двух напряжений, результат измерения угла сдвига.фазы двух напряжений не зависит от наличия постоянной составляющей смещения нулевого уровня опорного и. исследуемого напряжений и от воздействия синфазной помехи на вход устройства, что обеспечивает предлагаемому устройству большую точность по сравнению с прототипом.

Введение в структуру предлагаемого устройства двухполупериодных выпрямителей, дополнительных интеграторов и АЦП позволяет производить измерения угла сдвига фазы двух напряжений независимо от соотношения амплитуд опорного и исследуемого напряжений и независимо от частоты периодических сигналов, что обеспечивает предлагаемому устройству большую точность по сравнению с прототипом при вариации соотношения амплитуд напряжений и частоты переменного напряжения и более высокое быстродействие, так как отпадает необходимость в проведении дополнительных процедур измерения амплитуды исследуемого напряжения и частоты периоди- ческих сигналов, 1064227

Составитель A.,Старостина

Редактор A. Лежнина Техред И.Метелева Корректор Г, Решетник

Закаэ 10526/47 Тираж 710 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам иэобретений и открытий

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

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