Цифровое устройство для измерения фазового угла

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советски;.

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 011280 (21) 3009852/18-21 с присоединением заявки МВ— (23) Приоритет

Опубликовано 2309.82. Бюллетень No 35 .Дата опубликования описания 230982 (51) М. Кн.з

G 01 R 25/00

Государственный комитет

СССР но делам изобретений и открытий (53) УДК 621. 317..77(088.8) (72) Авторы изобретения

Б К. Крамаренко и А.М. Агиэим

lg е йнститут (71) Заявитель

Львовский ордена Ленина политехнически им. Ленинского комсомола (54) ЦИФРОВОЕ УСТРОИСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

ФАЗОВОГО УГЛА

Изобретение относится к измерительной технике, а именно фаэометрии, и может .быть использовано в информационно-измерительных системах для измерения фазового угла между двумя гармоническими сигналами.

Известно устройство для детектирования разности фаэ, содержащее аналого-цифровые преобразователи, блок управления выборками и решающий блок. Исходными данными для решающего устройства служат значения выборок Р, Р„ „ одного входного сигнала и выборок Q, Q „ „ второго входного сигнала, полученйые и связанные отрезки времени t » t „ „,è значения выборок Ре, Р > „ и Q взятые до и после прохождения нулевой точки обоими колебаниями перед упомянутымй отрезками времени 311.

Недостатки устройства - большое количество выборок мгновенных значений сигнала, необходимых для определения фазового угла, сложность алгоритма вычислений, а также значительное увеличение погрешности измерения при углах момента стробирования, близких к- Оо и 180о, обусловленное тем, что вычисление фазовых углов производится через функцию

BICC0S.

Наиболее близким к изобретению является устройство, определяющее фазовый угол между током и напряжением в системе, содержащее два аналого-цифровых преобразователя, входы которых являются входами устройства, блок управления выборками, вход которого подключен к одному иэ входов устройства, а выходы — к соответствующим вторым входам аналого-цифровых преобразователей, формирователь временного интервала, выход которого

15 является выходом устройства. Кроме того, в устройство дополнительно входят два блока запоминания мгновенных и вычисления максимальных значений входных сигналов и два блока вычисления фазовых углов моментов стробирования для каждого из сигналов (2) .

Недостатками известного устройства, определяющего фазовый угол между током и напряжением в системе, являются сложность, обусловленная сложным алгоритмом вычислений максимальных значений сигналов и фазовых углов момента стробирования, а также значительное увеличение погреш960658 ности измерения при углах момента стробирования, близких к 90, обуслонленное тем ° что вычисление этих углон производится через функцию

@resin.

Целью изобретения является снижение габаритов устройства при сохра нении высокой точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее два аналого-цифровых преобразователя первые входы которых являются входами устройства, блок. управления выборками, вход которого подключен к одному иэ входов устройства, а выходы — к соответствующим вторым входам аналого-цифровых преобразователей, формирователь временного интервала, выход которого является выходом устройства, введены генератор тактовых импульсов, два ключа и два цифровых синусно-косинусных функциональных преобразователя, первые входы которых соединены с выходами соответствующих аналого-цифровых преобразователей, вторые входы — с выходами блока управления выборками, третьи входы — с выходом генератора тактовых импульсов через ключ, первые выходы подключены к входам формирователя временного интервала и к выключающим входам соответствующих ключей, а вторые выходы являются выходами устройства, включающие . нхады ключей соединены с выходом блока управления выборками.

На фиг. 1 представлена структурная схема цифроного устройства для измерения фазового угла; на фиг. 2 структурная схема цифрового синуснокосинусного.функционального преобразователя на фиг. 3 — временные

t диаграммы, поясняющие работу устройства.

Цифровое. устройство для измерения фазового угла содержит два аналогоцифровых преобразователя 1 и 2,. блок 3 управления выборками, формиposатель 4 временного интервала, два цифровых синусно-косинусных функциональных преобразователя 5 и б, генератор 7 тактовых импульсов и два ключа 8 и 9. Информационными входами

10 и 11 устройства являются информационные входы аналого-цифровых преобразователей 1 и 2, кроме того, один иэ вхбдов 10 устройства подключен к блоку 2 управления выборками.

Выходы аналого-цифровых преобразователей 1 и 2 соединены с информационными входами 12 цифровых синусно-косинусных функциональных преобразователей 5 и б, выходы 13 которых являются выходами амплитудных значений сигналов напряжения и тока устройства, а выходы 14 подключены ко входам формирователя 4 временного интервала и выключающим входам клю50

65 динены со входами соответствующих

40 чей 8 и 9. Выходы блока 3 управления выборками подключены к управляющим входам аналого-цифровых преобразователей 1, 2 и входам 15 управления установкой функциональных преобразователей 5 и б, а также ко включающим входам ключей 8 и 9.

Выход генератора 7 тактовых импульсов соединен со входами ключей 8 и 9, выходы которых подключены ко входам 16 тактовых импульсов функциональных преобразователей 5 и 6.

Выход 17 формирователя 4 временного ,интервала является фаэоным выходом устройства.

Ключи 8 и 9 выполнены, в виде элементов совпадения. Блок 3 управления выборками выполнен на базе известных устройств, используемых по прямому назначению и содержит узел измерения периода входного сигнала, узел выработки стробирующих импульсов и узел синхронизации. Формирователь 4 временного интервала выполнен в виде элемента совпадения.

Цифровой синусно-косинусный функциональный преобразователь 5 и б состоит из регистра 18 синусной составляющей и регистра 19 косинусной составляющей и четырех сумматоров 20-23 (фиг. 2).

Информационные входы 12 функционального преобразователя 5 и 6 соединены с установочными входами регистра 18 синусной составляющей и регистра 19 косинусной составляющей. Вход 15 управления установкой раздельно подключен ко входу управления установкой регистра 18 синусной составляющей и ко входу управления установкой регистра 19 косинусной составляющей. Вход 16 тактовых импульсов соединен с импульсными входами регистров 18 и 19 синусной .и косинусной составляющих. Выходы разрядов регистра 18 синусной составляющей соединены со входами соответствующих разрядов сумматоров

20 и 23 и со сдвигом на (р+1) раэрядов в сторону младших со входами разрядов сумматора 22, а также являются выходбм 13 амплитудного значения сигнала устройства.

Выходы разрядов регистра 19 косинусной составляющей соединены со входами соответствующих разрядов сумматоров 21 и 22 и со сдвигом на (р+1) разрядов н сторону младших со входами разрядов сумматора 23, а выход знакового разряда регистра

19 косииусной составляющей является выходом 14 функционального преобразователя. Выходы разрядов сумматора 22 подключены со сдвигом на р разрядов в сторону младших ко входам разрядов сумматора 20.

Выходы разрядов сумматора 20 сое960658 раэрядоэ регистра 18 синусной составляющей. Выходы разрядов сумматора

23 подключены со сдвигом на р разрядов э сторону младших ко входам разрядов сумматора 21. Выходы разрядов сумматора 21 соединены со входами соответствуюших разрядоэ регистра 19 косинусной составляющей.

Устройство работает следующим образом.

Входные гармонические сигналы

U и i, между которыми измеряется фазовый угол Ч, подаются на информационные входы устройства 10 и 11, откуда они поступают на информационные входы аналого-цифровых преобразователей 1 и 2, а один иэ сигналов, например U подается на вход блока 3 управления выборками. Соот( ветственно частоте входного сигнала, блок 3 управления задает моменты выборок мгновенных значений входных сигналов импульсов to u t 9 отстающими друг от друга на время, равное по длительности четверти периода повторения входного сигнала, что соответствует фазовому углу, равному 90О(фиг. 3 а, б). Через время, достаточное для осуществления преобразования входного сигнала в цифровой код, после, импульса to вырабатывается импульс управления установкой регистров 18 синусной составляющей функциональных преобразователей 5 и 6, а после импульса импульс управления установкой регистров 19 косинусной составляющей функциональных преобразователей 5 и 6. Импульсы управления выборками подаются на управляющие входы аналого-цифровых преобразователей 1 и 2, а импульсы управления установкой регистров — на входы 15 функциональных преобразователей 5 и 6. . В указанные моменты времени аналогоцифровые преобразователи 1 и 2 осуществляют преобразование входных сигналов в цифровой код, при этом через информационные выходы 12 значения выборок, соответствующие моменту to, заносятся в регистры 18 синусной составляющей, а значения выборок, соответствующие моменту в регистры 19 косинусных составляющих соответствующих функциональных преобразователей 5 и 6. После осуществления выборок и занесения их в регистры блок 3 управления выборками вырабатывает сигнал разрешения преобразования, который подается на включающие входы ключей 8 и 9.

Этим разрешается прохождение тактовых импульсов преобразования, вырабатываемых генератором 7, через ключи 8 и 9 на входы 16 тактовых импульсоэ функциональных преобразователей 5 и 6. С поступлением тактоЮ

Таким образом, применение цифровых функциональных преобразователей и узлов, обеспечивающих их работу, в цифровом устройстве для измерения фазового угла по двум мгновенным значениям сигнала вместо блоков запоминания мгновенных и вычисления максимальных значений и блоков вывых импульсоэ на функциональные преобразователи 5 и 6 начинается процесс синуснокосинусного функционального преобразования, при котором значение, занесенное в ре-истр 18 синусной составляющей, начинает возрастать по закону синуса, а значение, занесенное в регистр 19 косинусной составляющей, начинает убывать по закону косинуса (фиг. 3 г, д, е, ж).

10 Таким образом, с каждым тактом преобразования осуществляется как бы поворот векторов U и 3 на определенный угол ь до положения нулевой фазы (фиг. 3 в).

Поступление тактовых импульсоэ преобразования на функциональные преобразователи во времени осушествляется равномерно, поэтому и поворОт векторов осуществляется равномерно по времени. Разность во времени меж-ду моментами достижения векторами нулевой фазы свидетельствует о фазовом угле между векторами Ч . Сигналом о достижении вектором значения

25 нулевой фазы служит изменение знака в знаковом разряде регистра 19 косинусной составляющей функционального преобразователя 5 и 6. Выходы

14 знаковых разрядов косинусных

ЗО регистров 19 подаются на формирователь 4 временного интервала и на выключающие входы ключей 8 и 9. По- . этому при достижении каждым иэ векто.ров значения нулевой фазы прекраща35 ется поступление тактовых импульсов преобразования на этот функциональный преобразователь, прекращается дальнейший поворот вектора, а в ре гистре 18 синусной составляющей

40 установится значение амплитуды вектора. Выходы 13 регистров 18 синусной составляющей функциональных преобра зователей 5 и 6 являются выходами амплитудных значений сигналов напряжения 0 и тока 3 устройства. Формирователь 4 по сигналам изменения знаков регистров 19 косинусных составляющих функциональных преобразователей 5 и 6 формирует сигнал, длительность которого пропорциональна значению фазового угла между сигналами, с выхода формирователя 4 сигнал фазы в виде временного интервала поступает на выход 17 устройства.

Измерение фазы возможно как в непрерывном, так и в импульсном режимах работы.

960658 числения значений arcsfn позволяет значительно снизить габариты устройства, одновременно повысив точность измерения. Например, если одно иэ квадратурных значений сигнала измерено вблизи максимального зна- 5 чения, второе — измерено около нуля, и при фиксированной 10-разрядной сетке входного ЛЦП ошибка в измерении входного сигнала в единицу младшего разряда (0,001) приведет 10 к погрешности в определении фазового угла д 4 — - 3,3 . Максимального знаf чения погрешность достигнет при углах порядка 45ои будет равна " пъдх 12 15

Таким образом, в предлагаемом устройстве погрешность измерения при углах порядка 80О меньше s 4 раза; при 85Π— в 8 раз, при 87 -в 16 раэ меньше, чем у известного устройства.

Дискретность преобразования синуснокосинусного преобразователя зависит от выбранного значения показателя р, обозначающего количество разрядов сдвига в сторону младших разрядов на входах сумматоров функционального преобразователя, и может быть сделана достаточно малой.

Формула изобретения

Цифровое устройство для измерения фазового угла, содержащее два аналого-цифровых преобразователя, первые входы которых являются входами устройства, блок управления выборками, вход которого подключен к одному из входов устройства, а выходы - к соответствующим вторым входам аналогоцифровых преобразователей, формирователь временного интервала, выход которого является выходом устройства, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью снижения габаритов устройства при сохранении высокой точности измерения, я него введены генератор тактовых импульсов, два ключа и два цифровых синусно-косинусных функциональных преобразователя, первые входы которых соединены с выходами соответствующих аналого-цифровых преобразователей, вторые входы — с выходами блока управления выборками, третьи входы — с выходом генератора тактовых импульсов через ключ, первые выходы подключены к входам формирователя временного интервала и к выключающим входам соответствующих ключей, а вторые выходы являются выходами устройства, включающие входы ключей соединены с выходом блока управления выборками.

Йсточники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Заявка Японии Р 5455230, кл. 110 Н 2, 25.12.79.

2. Заявка Японии,М 5149230, кл. 110 Н 2, 25.1.2.76..960658 г

Тираж 717 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Заказ 7255/51

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

Составитель Н. Агеева

Редактор Н. Пушненкова Техред М.Коштура Корректор A. Ференц