низкочастотный измеритель фазового сдвига

Формула изобретения

НИЗКОЧАСТОТНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ФАЗОВОГО СДВИГА, содержащий первое и второе формирующие устройства, RS-триггер, источник опорного напряжения, генератор счетных импульсов, временной селектор, счетчик импульсов, блок управления, причем входы формирователей являются входами измерителя, а выходы соединены соответственно с S- и R-входами RS-триггера, выход RS-триггера и выход первого формирователя соединены соответственно с вторым и первым входами блока управления, выход генератора счетных импульсов соединен с входом временного селектора, а выход последнего - с входом счетчика импульсов, выход которого соединен с четвертым входом блока управления, отличающийся тем, что в него дополнительно введены первый и второй цифроаналоговый преобразователи, первый и второй операционные усилители, первый и второй времязадающие резисторы, конденсатор интегратора, первый, второй, третий электронные ключи, первое и второе оперативные запоминающие устройства, счетчик импульсов и временной селектор, третий вход "Пуск", при этом выход источника опорного напряжения соединен с точкой, объединяющей входы опорных напряжений первого и второго цифроаналоговых преобразователей, выходы которых соединены соответственно через первый и второй времязадающие резисторы с инвертирующими входами первого и второго операционных усилителей, между этими входами включены параллельно конденсатор интегратора и третий электронный ключ, выход первого операционного усилителя соединен с входом первого электронного ключа и пятым входом блока управления, выход второго операционного усилителя соединен с входом второго электронного ключа, причем выходы первого и второго ключей соединены с инвертирующими входами соответственно второго и первого операционных усилителей, неинвертирующие входы которых заземлены, выход генератора счетных импульсов соединен с входом временного селектора, выход которого соединен со счетным входом счетчика импульсов, выходная шина последнего соединена с входными шинами первого и второго оперативных запоминающих устройств, выходные шины которых соединены соответственно с входными шинами первого и второго цифроаналоговых преобразователей, третий вход "Пуск" соединен с третьим входом блока управления и установочными входами счетчиков, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой и седьмой выходы блока управления соединены соответственно с управляющими входами временного селектора, первого и второго оперативных запоминающих устройств, первого, второго и третьего электронных ключей и временного селектора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электрорадиоизмерительной технике и может быть использовано для измерения фазового сдвига между гармоническими колебаниями в области низких частот.

Известны различные фазометры, например, прямого преобразования мгновенного значения фазового сдвига и периодического сравнения для измерения среднего значения сдвига фаз [1].

Недостатком фазометров мгновенного значения фазового сдвига является необходимость знания или измерения частоты сигналов, а фазометров среднего значения фазового сдвига при измерении на очень низких частотах - недопустимо большое время измерения.

Известен быстродействующий цифровой фазометр [2], в котором временные интервалы _x и Т_х, соответствующие фазовому сдвигу _x и периоду исследуемого сигнала Т_х, заполняются счетными импульсами, а полученные коды делятся друг на друга по методу двоичных умножителей частоты или интеграторов с последовательным переносом.

Недостатком такого фазометра, значительно снижающим быстродействие в области низких частот, является большое время измерения, составляющее величину от 1 до 8 периодов исследуемого сигнала [2, 3].

Наиболее близким к заявляемому измерителю является цифровой низкочастотный фазометр мгновенного значения [4], использующий преобразование временных интервалов t и Т_х, соответствующих фазовому сдвигу _x и периоду исследуемого сигнала, в постоянные напряжения с помощью интегратора за один такт интегрирования, запоминание аналоговых напряжений в блоке выборки-хранения и отыскание значения отношения напряжений посредством АЦП двойного интегрирования.

Недостатком такого фазометра является наличие дополнительной погрешности измерения на очень низких частотах за счет саморазряда емкости первого интегратора и емкости блока выборки-хранения и на высоких частотах за счет инерциальности ключа на входе первого интегратора и ограниченного быстродействия операционного усилителя, что приводит к сужению диапазона рабочих частот фазометра.

Цель изобретения - расширение диапазона рабочих частот фазометра.

Цель достигается тем, что в измерителе преобразования интервалов времени t и Т_х в постоянные напряжения осуществляются заполнением их счетными импульсами с последующим получением аналоговых напряжений с помощью цифроаналогового преобразования, отношение между которыми определяется по методу двойного интегрирования.

На фиг. 1 приведена функциональная схема измерителя; на фиг. 2 - функциональная схема блока управления; на фиг. 3 - временные диаграммы, поясняющие принцип действия измерителя.

Низкочастотный измеритель фазового сдвига содержит формирующие устройства 1 и 2, RS-триггер 3, источник 4 опорного напряжения, цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) 5 и 6, операционные усилители (ОУ) 7 и 8, времязадающие резисторы 9 и 10, конденсатор 11 интегратора, электронные ключи 12 . .. 14, оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) 15 и 16, генератор 17 счетных импульсов, временные селекторы 18 и 19, счетчики 20 и 21 импульсов, блок 22 управления, в состав которого входят jK-триггер 23, С-триггер 24, RS-триггеры 25 и 26, элемент И-НЕ 27, элемент И 28, дифференцирующие цепочки 29 ... 31.

Первый и второй входы низкочастотного измерителя фазового сдвига через последовательно соединенные формирующие устройства 1 и 2 соединены с входами RS-триггера 3, выход первого формирующего устройства 1 соединен с первым входом блока 22 управления, выход RS-триггера 3 соединен с вторым входом блока управления. Выход источника 4 опорного напряжения соединен с точкой, объединяющей входы опорных напряжений ЦАП 5 и 6, выходы которых соединены соответственно с входами времязадающих резисторов 9 и 10. Выходы последних соединены соответственно с инвертирующими входами ОУ 7 и 8, неинвертирующие входы которых заземлены. Выход ОУ 7 соединен с пятым входом блока 22 управления и входом первого электронного ключа 12, выход которого объединяет правую обкладку конденсатора 11 интегратора, вход третьего электронного ключа 14 и инвертирующий вход ОУ 8, выход которого подключен к входу второго электронного ключа 13. Выход последнего объединяет выход третьего электронного ключа, левую обкладку конденсатора 11 интегратора и инвертирующий вход ОУ 7. Выход генератора 17 счетных импульсов соединен с входами первого и второго временных селекторов 18 и 19, выходы которых соединены соответственно со счетными входами первого и второго счетчиков 20 и 21 импульсов, причем выходная шина второго счетчика 21 является выходом измерителя, а первая соединена с входными шинами ОЗУ 15 и 16, выходные шины которых соединены соответственно с входными шинами ЦАП 5 и 6. Выход переполнения второго счетчика 21 соединен с четвертым входом блока 22 управления. Третий вход измерителя (ПУСК) объединяет третий вход блока 22 управления и входы установки (R) счетчиков 20 и 21. Первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой и седьмой выходы блока 22 управления соединены соответственно с управляющими входами первого временного селектора 18, ОЗУ 15, ОЗУ 16, первого, второго и третьего электронных ключей 12, 13 и 14 и второго временного селектора 19.

Низкочастотный измеритель фазового сдвига работает следующим образом.

Формирующие устройства 1 и 2 вырабатывают короткие импульсы, соответствующие переходу сигналов U₁ и U₂ через нуль, из отрицательных значений в положительные (фиг. 3, U₁, U₂, U₁*, U₂*), на выходе RS-триггера вырабатывается последовательность импульсов длительностью t, соответствующей фазовому сдвигу (фиг. 3, U₃).

С приходом управляющей команды ПУСК счетчики 20 и 21 устанавливаются в нулевое состояние. Триггеры 23 и 24 блока 22 управления также устанавливаются в нулевое состояние, при этом jK-триггер 23 переводится в счетный режим, так как на его j- и К-входы подается уровень логической "1" с инвертирующего выхода С-триггера 24 (фиг. 3, U₂₃, ). С приходом короткого импульса с выхода формирующего устройства 1 на первый вход блока 22 управления, т.е. на С-вход jK-триггера 23 (фиг. 3), последний переключается в единичное состояние и открывает временной селектор 18, разрешая тем самым прохождение счетных импульсов на вход счетчика 20 (фиг. 3, U₂₃, U₁₈). В момент времени t₂RS-триггер 3 переключается в нулевое состояние (фиг. 3, U₃), элемент И-НЕ 27 переключается в единичное состояние и на выходе дифференцирующей цепочки 31 вырабатывается короткий импульс (фиг. 3, U₃₁), который записывает значение счетчика 20 в ОЗУ 15, которое к моменту времени t₂составляет

N₁ = f_o(t₂ - t₁) = f_o t, (1) где N₁ - значение счетчика 20 за время t, соответствующее фазовому сдвигу ;

f_o - частота генератора 17 счетных импульсов.

При повторном поступлении импульсов на С-вход jK-триггера 23 (через время Т_х, соответствующее периоду исследуемого сигнала) последний переключается в нулевое состояние (фиг. 3, U₁*, U₂₃), а триггер 24 - в единичное состояние (фиг. 3, ), на выходе дифференцирующей цепочки 30 вырабатывается короткий импульс (фиг. 3, U₃₀), записывающий значение N₂в ОЗУ 16, которое к моменту времени t₃ составляет

N₂ = f_o (t₃ - t₁) = f_o T_x. (2)

Дальнейшие изменения сигналов на С-входе jK-триггера 23 и входе элемента И-НЕ 27 не вызывают изменения состояний триггеров 23 и 24 до поступления сигнала "Пуск".

Значения N₁ и N₂ поступают на ЦАП 5 и 6, на выходах которых появляются постоянные напряжения U₁ и U₂ соответственно

U₁ = K N₁ U_o; (3)

U₂ = K N₂ U_o, (4) где К - коэффициент преобразования ЦАП 5 и 6;

U_o - напряжение на выходе источника 4.

Короткий импульс на выходе дифференцирующей цепочки 30 переключает RS-триггеры 25 и 26 в единичное состояние (фиг. 3, U₃₀, U₂₅, U₂₆), что приводит к замыканию электронного ключа 12, открыванию временного селектора 19 и размыканию электронного ключа 14. Замыкание электронного ключа 12 приводит к тому, что конденсатор 11 оказывается включенным в цепь ООС ОУ 7, и напряжение на выходе ОУ 7 начинает изменяться по линейному закону (фиг. 3, U₇). При этом ОУ 8 находится в состоянии насыщения (фиг. 3, U₈). В момент времени t₄ счетчик 21 переполняется и на его выходе N_o появляется короткий импульс (фиг. 3, U₂₁), переключающий триггер 25 в нулевое состояние (фиг. 3, U₂₅). К этому времени напряжение на обкладках конденсатора 11

U_c= - U₁dt = - U₁(t₄-t₃) = - U₁ ,

(5) где R₁ - значение времязадающего резистора 9;

С - значение емкости конденсатора 11;

N_o - емкость счетчика 21.

Переключение триггера 25 в нулевое состояние приводит к размыканию ключа 12 и замыканию ключа 13. При этом ОУ 7 играет роль компарирующего устройства, а ОУ 8 - интегрирующего, причем ОУ 7 находится в состоянии насыщения (фиг. 3, U₇). Замыкание ключа 13 приводит к тому, что напряжение на конденсаторе 11 начинает изменяться по линейному закону (фиг. 3, U₈, U_c), и в момент времени t₅ оно равно нулю, при этом на выходе ОУ 7 появляется положительный перепад напряжения (фиг. 3, U₇), который выделяется дифференцирующей цепочкой 29 (фиг. 3, U₂₉) и переключает триггер 26 в нулевое состояние. При этом размыкается ключ 13 и замыкается электронный ключ 14, тем самым поддерживаются нулевые начальные условия на интегрирующем конденсаторе до начала следующего цикла преобразования.

Напряжение на конденсаторе 11 изменяется в течение интервала времени t₅ - t₄ по закону

U_c= - U - - = 0

(6) или

U₁ = U₂ ,

(7) где N_x - число импульсов в счетчике 21 при интегрировании U₂.

Из выражения (7)

N_x= N = N_o = N_o = N .

Равенство (8) показывает, что значение результата измерений N пропорционально фазовому сдвигу . Выбирая N_o кратным 36, а R₂ = R₁, можно получить отсчет непосредственно в градусах.

Технико-экономический эффект изобретения.

Применение цифроаналогового преобразования временных интервалов, соответствующих фазовому сдвигу и периоду исследуемого сигнала, в постоянные напряжения позволяет исключить дополнительные погрешности, возникающие вследствие инерционности интегратора в области малых времен (если время интегрирования t соизмеримо с постоянной времени , где _у - постоянная времени усилителя интегратора; К - коэффициент усиления усилителя интегратора [5], вследствие неидеальности усилителя интегратора (дрейф, конечное значение коэффициента усиления) [6]. При этом расширяется диапазон рабочих частот фазометра в область высоких частот, так как современная ЭСЛ-логика может работать с частотами до 200 МГц (при емкости счетчиков N = 1000, t_мин = 5 мкс, что весьма затруднительно при использовании обычных ОУ [6].

Хранение информации об интервалах времени t и Т осуществляется в цифровом виде в ОЗУ, а не в аналоговом, как в устройстве-прототипе. В заявляемом измерителе устраняется ошибка, вызванная хранением напряжения в устройствах выборки-хранения, где имеет место саморазряд запоминающих конденсаторов, который вызван неидеальностью последних. При этом расширяется диапазон рабочих частот фазометра в область низких частот, так как хранение цифровой информации в ОЗУ неограничено.

Изменение структуры интегратора позволяет исключить дополнительную погрешность, вносимую в устройство-прототип инвертирующим усилителем постоянного тока, нестабильностью коэффициента усиления и дрейфом выходного напряжения, что в целом ухудшает метрологические характеристики прибора. Таким образом обеспечивается новый положительный эффект.