Способ измерения сдвига фаз и устройство для его осуществления

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советскнк

Социалистических

Респубики »9800!3 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 05.12.80 (23) 3215773/18-21 с присоединением заявки М 3212749/21 (23) Приоритет

Опубликовано 07.12.82. бюллетень М 45

Дата опубликования описания 07.12.82

-{5I)M. Кл. (01Р 25/00

9аудерстеаеа6 кеиитвт

СССР ао далем юавретевкя к открытия

{53) Уд К621.317..77 (088.8) (72) Автор изобретения

В. И. Тимофеев

Центральное конструкторское бюро гидрометеорологического i приборостроения (7l ) Заявитель (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СДВИГА ФАЗ И УСТРОЙСТВО

ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к измеритель. ной технике и может быть использовано при создании цифровых фазометров для измерения сдвига фаз электрических ко лебаний низкой частоты.

Известен способ измерения фаз, заключаюшийся 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 времени частоту заполнения с приходом каждого импульса с выхода ти-го разряда счетчика, перезаписывая при этом единицу в том же разряде, запоминают частоту счета, которой заполняют счетчик, и затем фиксируют появление импульса в предпоследнем разряде счетчика, чтобы с приходом после этой фиксации импульса окончания ближайшею из набора калиброванных интервалов времени, начало которых совпадают, закончить счет )l) .

К недостаткам известного способа относятся большое время измерения (несколько периодов измеряемых колебаний), что может привести к значительной ошибке в измерении, если за время измерения фазовый сдвиг меняется; кроме того, появляется 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, заключаюшийся в том, что подсчитываются импульсы частоты счета за временной интервал, пропорциональный сдвигу

20 фаз исследуемых колебаний, за интервал времени, пропорциональный периоду исследуемых колебаний, дискретно изменяют частоту счета с каждым переполнением счетчика, запоминают частоту

9800i3 элемент ИЛИ (4) 50

55 счета, при этом количество импульсов, пропорциональное значению остатка от деления 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 2 j . 10

Недостаток такого способа — пониженная точность измерения, обусловленная динамической погрешностью, Кроме того, при измерении сдвига фаз на низких и сверхнизких (инфранизких) частотах зна- 15 чительно время измерения (до двух периодов частоты исследуемых колебаний).

Известно устройство для изменения сдвига фаз, содержащее формирователь, соединенный через блок управления с 20 входами первого и второго вентилей, дешифратор, соединенный с первыми входами группы элементов И, счетчики и регистрирующий счетчик, преобразователь код-напряжение, управляющий ге- 25 нератором ударного возбуждения (3 ) .

Недостатком такого устройства является низкая точность. Кроме того, перед началом измерения требуется некоторое время для предварительной ус- З0 тановки частоты и последующей автоматической подстройки частоты генератора ударного возбуждения. При неправильном захвате частоты схемой автоподстройки (более чем однократное переполнение 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, дешифратор, группу элементов И, Недостаток известного устройства— невысокая точность измерения, обусловленная динамической погрешностью, когда на первом такте работы устройства измеряется период Т, а на втором такте, во время измерения Г, 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 знач ительным.

Бель изобретения — повышение 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 уменьшают эту частоту с каждым переполнением счетчика, заполняют временной интервал, пропорциональный сдвигу фаз импульсами, равномерно распределяют количество импульсов, пропорциональных значению остатка от деления периода исследуемых колебаний на число, . кратное минимальному периоду исследуемых колебаний, на первом такте формируют вторую частоту счета, дискретно увеличивают ее с каждым переполнением счетчика и заполнение временного интервала пропорционального сдвигу фаз, осуществляют импульсами постоянной частоты, запоминают полученное количество импульсов на втором такте, одновременно формируют временной интервал, списыванием запомненного количества импульсов импульсами второй частоты счета, при этом распределение производят по максимальному значению сформированного временного интервала, соответствующего сдвигу фаз

360, вычитая их из импульсов постоо янной частоты, по полученной разности судят о сдвиге фаз .

В устройство для осуществления способа измерения сдвига фаз, содержащее генЬратор частот, первые выходы которого через первую группу элементов И, другие входы. которых соединены с выходами первого дешифратора, соединены с входами первого элемента ИЛИ, выход которого соединен с входом первого элемента И, другой вход которого соединен с первым входом устройства, а выход соединен с входом счетчика, старшие разряды которого соединены с входами первого дешифратора, 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, 9800 соединены с входами второго элемента

ИЛИ, выход которого соединен с первым входом третьего элемента И, третий. вход генератора частот соединен с вторым входом втброго элемента И и пер- S вым входом четвертого элемента И вторые входы третьего и четвертого элементов И соединены с выходом триггера, выходы второго и третьего элементов

И соединены с суммирующим и вычитаюшим входами реверсивного счетчика соответственно, выход четвертого элемента И соединен с входом блока деления, причем входы второго дешифратора соединены с выходами старших разрядов 1$ первого счетчика.

На чертеже изображена функциональ ная схема устройства для осуществления способа измерения сдвига фаз.

Устройство содержит формирователь 20

1, триггер 2, элементы И 3-6, счетчик

7 с младшими разрядами 8 и старшими разрядами 9, блок 10 деления, в состав которого входят блок 11 вычитания импульсов, двоичный умножитель 12, 2S счетчик 13, реверсивный счетчик 14, дешифраторы 15 и 16, генератор 17, группы элементов И 1 8 ... 1 8, 19 ...

19 К, элементы ИЛИ 20 и 2 1. На первый вход 22 устройства поступает сиг- Зп нал периода Т исследуемых колебаний.

На второй вход 23 — сигнал интервала С, который прямопропорционален сдвигу фаз.

Сдвиг фаз измеряют с помощью устройства следующим образом.

На первом такте работы устройства на вход 22 поступает сигнал Т, на вход 23 — сигнал Г

13 6

Исходная частота на выходе генератора

17 частот выбирается иэ условия

ЬЬО

F „= ц = о q "мах где д ф — заданная дискретность измерения сдвига фаз;

„- максимальная частота исследуемых колебаний .

За период Т счетчик 7 управляет работой генератора 17 частот, уменьшая (увеличивя) частоту Ч„ (Гс, ) выхоср элемента ИЛИ 21 (ИЛИ 20) в

К раз при каждом переполнении младших разрядов 8 счетчика 7 (К- целое число, равное выбранному увеличению текущего значения, измеряемого периода по отношению к ранее измеренному, в случае двоичных счетчиков К =2)., Емкость hl младших разрядов 8 счетчика

7 соответствует заданной дискретности измерения сдвига фаз

Ьq Poly,qn

При 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, где TvqT«, в этом случае частота "cu„= не изменяется). Если до окончания периода исследуемых колебаний младшие разряды 8 счетчика 7 не переполняются импульсамиГ „

СЧ1- О то на этом первый такт измерения заканчивается. В младших разрядах 8 счетчика 7 записано значение Я

1 0(T Tù„ ), Ч)

360 где - сдвиг фаз.

Генератор 17, группа элементов И

18, элемент ИЛИ 21, дешифратор 15 предназначены для формирования второй частоты счета Р, Генератор частот17, группа элемен- тов И 19, элемент ИЛИ 21 дешифратор

16 предназначены для формирования первой частоты счета ГСч„. Дешифраторы 15 и 16 предназначены для определения участка (номера диапазона), в котором находится значение Т, На время

Г элемент И 3 открыт, Hà его второй вход поступают импульсы первой частоты счета 1 С „, с выхода элемента 2 1 ИЛИ.

40 где

1 1ч

T.=F ии

ФОх 0

Если до окончания периода исследуемых колебаний младшие разряды 8 счетчика 7 переполняются еще раз, в старшие разряды 9 счетчика 7 поступает

Ы еще один импульс, дешифратор 16 подает разрешение на элемент И из группы

19 -19, на второй вход которого к поступает частота Q(g, а дешифратор

15 подает разрешение на элемент И из группы 18 -18, на второй вход ко9 к

SS торого поступает частота 2 Го . Если до окончания периода исследуемаrx колебаний младшие разряды 8 счетчика 7 не переполнятся импульсами 7 qq Г J p то

7 9800 на этом первый такт измерения заканчивается. В младших разрядах 8 счетчика

7 записано значение gg

Если до окончания периода исследуемых колебаний младших разрядов 8 счетчик 7 переполнится еше раз, то в старшие разряды 9 счетчика 7 поступает еще один импульс, дешифратор 16 подает . разрешение на элемент И йз группы

19 -19, на второй вход которого посК. тупает частота Fpg, а дешифратор 15 подает разрешение на элемент И иэ группы 18 -18, на второй вход ко(4. торого поступает частота 4 F< и т.д. до окончания периода исследуемых колебаний. Послеокончания первого такта измерения на выходе элемента ИЛИ 21 устанавливается частота Г Сч ц„ о 1 1- > где и=Еи 1о, —.. );

Т зо

Ep4- uenas часть выражения в скобках.

На выходе элемента ИЛИ 20 устанавливается вторая частота счета Ргч уи

СЧ о .

И младших разрядах 8 счетчика 7 запио сано количество импульсов N сч Т Twin сцТ Fo yn и ГсчТ-8

Другими словами, перед началом измерения устройство подготовлено для измерения сдвига фаз на максимальной частоте исследуемый колебаний, если же частота меньше, то автоматически подстраивается первая частота счета С

Ч1 (вторая частота счета P <) в зависимости от частоты исследуемых колебаний.

Кроме того, на первом такте измерения временной интервал 2, поступаюший на gp вход элемента И 5 заполняется импульсами постоянной частоты Ео, поступающей на второй вход, Количество импульсов Й Г, поступивших через элемент

И 5 На суммируюший вход реверсивногО счетчика 14 равно =FP<="о 6С Г

13 8

По заднему фронту периода исследуемых колебаний Т формирователь 1 вырабатывает импульс, который устанавливает триггер 2 в состояние " 1", и начинается второй такт измерения. На вычитаюший вход реверсивного счетчика

14 через элемент И 6 будут поступать импульсы частоты сч . После обнуления счетчика 14 импульс обнуления с го выхода поступает на вход триггера, возвращая его в исходное, нулевое состояние. На этом второй такт измерения заканчивается. Время В, в течение которого триггер 2 находился в состоянии 1", равно

Ю ОПТ Ч

F«36O 60 Я.

За время.Ь через элемент И 4 на вход блока 10 деления поступают импульсы частоты Fo р о 1 1 1 М где hl — емкость счетчиков 8 и 13. т. (т1 « о «и F«(" g ) oi

"о Fo о. и и „

Г

° ° ъ т N F 7 5 .т т.

М

За время g на выходе блока ll вычитания импульсов на выход устройства поступает количество импульсов N yy ч т N

ВЬЮ 41 360 2!""

М 360 9 ,и=

360 360 М О которое зависит только от измеряемого сдвига фаэ и не зависит от частоты исследуемогоколебания и генератора частот.

По сравнению с известным способом и устройством, Осушествляюшим данный способ, в предлагаемом изобретении повышена точность измерения, поскольку и период т, и интервал относятся 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 ин- тервалл на первом такте измерения.

013 10

М

9 980

Формула изобретения

1. Способ измерения сдвига фаз, заключающийся в том, что заполняют период исследуемых колебаний импульсами первой частоты счета, дискретно умень шают эту частоту с каждым переполнением счетчика, заполняют временной интервал, пропорциональный сдвигу фаз импульсами, равномерно распределяют количество импульсов, пропорциональных значению остатка от деления периода исследуемых колебаний на число, кратное минимальному периоду исследуемых колебаний, о. т л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности измерения и быстродействия, на первом такте формируют вторую частоту счета, дискретно увеличиваю ее с каждым пе реполнением счетчика, заполнение временного интервала, пропорционального сдвигу фаз, осуществляют импульсами постоянной частоты, запоминают получен- ное количество импульсов на втором такте, одновременно формируют временной интервал списыванием запомненного количества импульсов импульсами второй частоты счета, при этом распределениеiпроизводят по максимальному значению сформированного временного интервала, соответствующего сдвигу фаз 360, вью читая их из импульсов постоянной частоты, по полученной разности судят о сдвиге фаз.

2. Устройство для осуществления способа измерения сдвига фаз, содержащее генератор частот, первые выходы которого через первую группу элементов И, другие входы которых соединены с вы- . ходами первого дешифратора, соединены с входами первого элемента ИЛИ, выход которого соединен с входом первого элемента И, другой вход которого соединен с первым входом устройства, а выходсоединен с входом счетчика, старшие разряды котопого соединены с входами первого дешифратора, а младшие разряды соединены с первым входом блока деления, второй элемент

И, один вход которого соединен с вторым входом устройства, о т л и ч а ю ш е— е с я 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 триг

rep, 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 первым входом четвертого элемента И, вторые входы третьего и четвертого элементов

И соединены с выходом триггера, выходы второго и третьего элементов И соединены с суммирующим и вычитаюшим 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

1. Авторское свидетельство СССР

% 248073, кл. GO1 R 25/00, 1968.

2. Авторское свидетельство CCCP

% 581443, кл. 501 Я 25/00, 05.03.76.

3. Смирнов П. Т. Цифровые фазометры.

Л., "Энергия, 1974, с. 22.

4. Авторское свидетельство СССР

N". 653577, кл. 6018 25/00, 25.03.79.

980013

Составитель Н. Агеева

Редактор И. Ковальчук Техред A. Бабинеи Корректор Л. Бокшан

Заказ 93 52/3 5 Тираж 717 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4