Цифровой фазометр для измерения мгновенного значения угла сдвига фаз

 

Использование: измерительная техника, измерение мгновенного значения угла сдвига фаз. Сущность изобретения: устройство содержит два формирователя, два триггера, три элемента импликации, генератор, два элемента совпадения, два элемента ИЛИ. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения мгновенного значения угла сдвига фаз двух электрических сигналов в различных радио- и распределительных устройствах.

Известен цифровой фазометр по а.с. СССР N 387302, 1965, содержащий счетчик импульсов, первый формирователь, вход которого подключен к шине опорного сигнала, а выход - к первому входу первого электронного ключа, второй вход которого соединен с выходом делителя частоты и выходом генератора импульсов, второй формирователь, вход которого соединен с шиной исследуемого сигнала, а выход - с третьим входом первого электронного ключа и первым входом второго электронного ключа.

Недостатком известного устройства является низкое быстродействие, небольшая точность измерения, так как измерение мгновенного значения угла сдвига фазы осуществляется за четыре периода исследуемого сигнала.

Известен также цифровой фазометр для измерения мгновенного значения угла сдвига фаз [1], содержащий первый и второй формирователи импульсов, первый и второй триггеры, первый и второй элементы совпадения, соединенные с генератором образцовой частоты, и счетчик.

Недостатком данного устройства является невозможность измерения мгновенного значения сдвига фаз по мере уменьшения фазового сдвига, что не позволит применять его при быстро изменяющихся фазовых сдвигах между двумя напряжениями.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является цифровой фазометр для измерения мгновенного значения угла сдвига фаз [2], содержащий первый и второй формирователи импульсов, первый и второй триггеры, первый и второй элементы импликации, генератор, два элемента совпадения, элемент ИЛИ и счетчик, при этом первый вход фазометра через последовательно соединенные первые формирователь, триггер, элемент импликации, элемент совпадения подключен к первому входу элемента ИЛИ, второй вход фазометра через последовательно соединенные вторые формирователь, триггер, элемент импликации, элемент совпадения подключен к второму входу элемента ИЛИ, выход которого соединен с входом счетчика, вторые входы элементов совпадения подключены к выходу генератора, а вторые входы первого и второго элементов импликации подключены к выходу второго триггера и к выходу первого триггера соответственно.

Недостатком данного фазометра является низкая точность измерения из-за невозможности определения момента перехода фазового сдвига через нулевое значение, т. е. определения знака фазового сдвига. Действительно, если U₁ опережает U₂ на некоторый угол , то при уменьшении этого угла до некоторого значения ₁ и при дальнейшем увеличении его невозможно определить, какое из напряжений опережает другое, так как в случае перехода через нулевое значение U₂ будет опережать U₁; если же перехода не было, то U₁ будет опережать U₂. Знание знака фазового сдвига позволит значительно быстрее добиться установления необходимого соотношения фаз между напряжениями.

Цель изобретения - получение полной информации о характере изменения фазового сдвига и величине его мгновенного значения.

Цель достигается тем, что в устройство дополнительно введены второй элемент ИЛИ и элемент импликации, первый и второй входы которого соединены с выходами первого и второго элементов импликации соответственно, счетный вход первого триггера подключен к первому входу второго элемента ИЛИ, второй вход которого соединен со счетным входом второго триггера, выход второго элемента ИЛИ соединен с входами установки в нуль обоих триггеров.

Рассмотрим соответствие технического решения критерию "существенные отличия".

Отличительными признаками устройства являются следующие: введен элемент импликации; элемент ИЛИ; новые связи введенных элементов; совокупность первых трех признаков.

Анализ отличительных признаков показывает, что сами по себе признаки 1-3 известны, а признак 4 - нет.

Авторам не известны технические решения, использование в которых последнего признака приводило бы к достижению того же положительного эффекта, что и в заявляемом решении.

Согласно п. 52 (33-2-74) можно заключить, что заявляемое техническое решение является "охраноспособным" по критерию "существенные отличия".

На чертеже представлена структурная схема цифрового фазометра для измерения мгновенного значения угла сдвига фаз.

Предлагаемое устройство содержит первый и второй формирователи 1 и 2 импульсов, первый и второй триггеры 3 и 4, первый и второй элементы 5 и 6 импликации, генератор 7, два элемента 8 и 9 совпадения, элемент ИЛИ 10, счетчик 11 и третий элемент 12 импликации, второй элемент ИЛИ 13.

Первый вход фазометра через последовательно соединенные первые формирователь 1, триггер 3, элемент 5 импликации, элемент 8 совпадения подключены к первому входу элемента ИЛИ 10.

Второй вход элемента фазометра через последовательно соединенные вторые формирователь 2, триггер 4, элемент 6 импликации, элемент 9 совпадения подключен к второму входу элемента ИЛИ 10, выход которого соединен с входом счетчика 11. Вторые входы элементов 8 и 9 совпадения подключены к выходу генератора 7, вторые входы элементов 5 и 6 импликации подключены к выходу второго триггера 4 и к выходу первого триггера 3 соответственно, а вторые входы обоих триггеров подключены к выходу элемента ИЛИ 13, первый и второй входы которого соединены с выходами первого и второго формирователей 1 и 2 соответственно.

Переброс триггеров в новое состояние осуществляется по фронту (переднему) счетного импульса, а вход установки в "нуль" является инверсным, т. е. триггеры устанавливаются в нулевое состояние при подаче на этот вход нулевого потенциала или иначе - по спаду (заднему фронту) единичного потенциала.

Фазометр работает следующим образом.

На входы формирователей 1 и 2 импульсов поступают сигналы, для которых определяется разность угла сдвига фаз. Формирователи 1 и 2 вырабатывают импульсы, длительность которых равна длительности положительных полуволн сигналов. Эти импульсы с выходов формирователей поступают на входы триггеров 3 и 4 соответственно.

Поскольку за счет отставания одного из входных сигналов триггеров от другого триггеры устанавливаются в единичное состояние не одновременно (в исходном состоянии оба триггера находятся в нулевом состоянии), то и потенциалы на их выходах, соединенных с входами элементов 5 и 6 импликации, появляются с некоторым отставанием по времени, равным разности угла сдвига фаз. После того, как оба триггера установятся в единичное состояние, они оба будут установлены в нулевое состояние по спаду первого импульса и будут готовы к поступлению очередных импульсов на счетные входы. Так как в нулевое состояние будут установлены оба триггера (входы установки в "нуль" триггеров через элемент ИЛИ 13 соединены и их счетными входами) по спаду первого импульса, то по спаду второго (отстающего) импульса на выходах триггеров никаких изменений не произойдет. Таким образом, за счет одновременного обнуления обоих триггеров обеспечивается однозначность определения временного сдвига на выходах элементов 5 и 6 импликации.

Элементы 5 и 6 импликации работают таким образом, что при наличии на первом входе потенциала, соответствующего логической "1", а на втором входе потенциала, соответствующего логическому "0", на выходе устанавливается потенциал, соответствующий логической "1". Вследствие этого на выходах элементов 5 и 6 появляется импульс, по длительности равный углу сдвига. Если импульс с выхода триггера 3 опережает по времени импульс с выхода триггера 4,то появляется импульс на выходе элемента 5. Если импульс с выхода триггера 3 отстает по времени от импульса с выхода триггера 4, то появляется импульс на выходе элемента 6. Элемент 12 импликации работает аналогично элементам 5 и 6. Если на первом его входе будет единичный потенциал, а на втором - нулевой, то на его выходе будет единичный потенциал, говорящий о том, что напряжение на входе формирователя 1 опережает входное напряжение формирователя 2. В случае нулевого потенциала на первом входе, а единичного - на втором, на выходе элемента 12 импликации будет нулевой потенциал, значит входное сопротивление формирователя 1 отстает от входного напряжения формирователя 2.

С выходов элементов 5 и 6 импликации импульсы поступают на входы элементов 8 и 9 совпадения и открывают один из них. Через открытый элемент совпадения импульсы от генератора 7 образцовой частоты поступают на вход элемента ИЛИ 10. Количество импульсов, прошедшее от генератора 7 через элемент совпадения на вход счетчика 11, можно подсчитать по формуле К_н= f, где - длительность импульса, вырабатываемого элементами 5 и 6 импликации; f - частота генератора образцовой частоты.

Предлагаемое техническое решение обладает более высокими технико-экономическими показателями по сравнению с известным устройством.

Техническое преимущество нового устройства заключается в возможности определения знака фазового сдвига.

Положительный эффект, который можно получить в результате применения нового устройства, заключается в повышении точности измерений, так как сведения о знаке фазового сдвига позволят в любой момент времени узнать, какое из напряжений отстает (опережает) другое, а также избавиться от погрешности, возникающей за счет быстрого изменения фазового сдвига, когда, изменяясь (увеличиваясь и уменьшаясь или наоборот), он не переходит через нулевое значение, т.е. устранить неопределенность перехода фазового сдвига через нуль.

Формула изобретения

ЦИФРОВОЙ ФАЗОМЕТР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МГНОВЕННОГО ЗНАЧЕНИЯ УГЛА СДВИГА ФАЗ, содержащий первый и второй формирователи импульсов, первый и второй триггеры, первый и второй элементы импликации, генератор образцовой частоты, два элемента совпадения, первый элемент ИЛИ и счетчик, причем первый вход фазометра через последовательно соединенные первые формирователь, триггер, элемент импликации, элемент совпадения подключен к первому входу элемента ИЛИ, второй вход фазометра аналогично через последовательно соединенные вторые формирователь, триггер, элемент импликации, элемент совпадения подключен к второму входу первого элемента ИЛИ, выход которого соединен с входом счетчика, вторые входы элементов совпадения подключены к выходу генератора образцовой частоты, а вторые входы первого и второго элементов импликации подключены к выходу второго триггера и выходу первого триггера соответственно, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены второй элемент ИЛИ, третий элемент импликации, при этом первый и второй входы последнего соединены с выходами второго и первого элементов импликации соответственно, счетный вход первого триггера подключен к первому входу второго элемента ИЛИ, второй вход которого соединен со счетным входом второго триггера, а выход соединен с выходом установки в "0" обоих триггеров.

РИСУНКИ

Рисунок 1