Устройство для измерения сдвига фаз

 

Изобретение относится к измерительной технике. Цель - повышение точности измерения сдвига фаз. Устройство для измерения сдвига фаз содержит управляемый фазовращатель (Ф) 2, компенсирующий Ф 3, фазовый детектор 4, пороговый блок (Б) 6,генератор 7 импульсов, реверсивный счетчик 8. Цель достигается тем,что в него введены усилители-ограничители 1,5 и Б сум1«1рова1шя 9, включающий источник постоянного напряжения, п делителей напряжения I1, мультипликатор 12 и операционный усилитель 13. В описании изобретения даны математические зависимости измеряемых, величин. Изобретение предназначено для использования в измерительных устройствах автоматики и для измерения угла сдвига фаз в диапазоне от -90 до +90°. 1 з.п.ф-лы, 3 ил. UaiM i W

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51}4 С 01 R 25/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ к датогскоью свидетельств

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (2!) 3848075/24-21 (22) 23.01.85 (46) 23.01.87.Бюл. № 3 (71) Ленинградский ордена Ленина и ордена Красного Знамени механический институт (72) Г.M.Беляков, Н.К.Златорунский, О.С.Ипатов, О.А.Кононов, В.В.Осипов и К.В.Пастухов (53) 621.317.77 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 970269, кл. G 01 R 25/04, !971.

Авторское свидетельство СССР № 464857, кл. G 01 R 25/00, 1973. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СДВИГА ФАЗ (57) Изобретение относится к измерительной технике. Цель — повышение

ÄÄSUÄÄ 1285396 А1 точности измерения сдвига фаз. Устройство для измерения сдвига фаз содержит управляемый фазовращатель (Ф) 2, компенсирующий Ф 3, фазовый детектор 4, пороговый блок (Б) б,ге- нератор 7 импульсов, реверсивный счетчик 8. Цель достигается тем,что в него введены усилители-ограничители 1,5 и Б суммирования 9, включающий источник постоянного напряжения, и делителей напряжения 11, мультипликатор 12 и операционный усилитель

13. В описании изобретения даны математические зависимости измеряемых, величин. Изобретение предназначено для использования в измерительных устройствах автоматики и для измерения угла сдвига фаз в диапазоне от

-90 до +900. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

1285396 2

Изобретение относится к измерительной технике, конкретно к фазоизмерительным устройствам, и предназначено для использования в измерительных устройствах автоматика и для измерения угла сдвига фаз в диапазоне от -90 до +90

Цель изобретения — повышение точности измерения сдвига фаз путем компенсации нелинейности выходных харак- !0 теристик фазового детектора и управляемого фазовращателя. I

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства; на фиг. 2 — схема порогового блока; на фиг ° 3 — диаграмма, поясняющая режимы работы блока суммирования.

Устройство для измерения сдвига фаз содержит последовательно соединенные усилитель-ограничитель 1, уп: равляемый фазовращатель 2, компенсирующий фазовращатель 3, фазовый детектор 4. Другой вход фазового детектора 4 соединен с выходом усилителяограничителя 5, а выход фазового детектора 4 соединен с первым входом порогового блока 6, второй вход которого соединен с генератором 7 импульсов. Выходы порогового блока 6 30 соединены с соответствующими входами реверсивного счетчика 8, информационные выходы которого соединены с управляющими входами управляемого фазо— вращателя 2 и первыми управляющими входами блока 9 суммирования, второй вход которого соединен с выходом фазового детектора 4, Блок 9 суммирования состоит из последовательно соединенных источника 10 постоянного щ напряжения и и делителей 11 напряжения, выход каждого иэ которых соединен с соответствующим входом анало— гового мультиплексора 12. Выход аналогового мультиплексора 12 соединен с одним из входов операционного усилителя 13, другой вход которого является первым входом блока 9 суммирова-ния и соединен с выходом фазового детектора 4, причем управляющие входы gp аналогового мультиплексора 12 являются другими входами блока 9 суммирования. Выход операционного усилителя

13 является выходом блока 9 суммирования и всего устройства в целом.

В состав порогового блока 6 входит источник 14 постоянного напряжео ния, два выхода которого соединены через делители 15,1 и 15.2 напряжения с первыми входами двух компараторов 16.1 и 16.2, выход первого компаратора 16.1 соединен с первыми входами элемента И 17 и элемента ИЛИНЕ 18, выход второго компаратора соединен с вторыми входами элемента

И 17 и элемента ИЛИ-НЕ 18. Выходы элементов 17 и 18 соответственно соединены с первыми входами второго и третьего элементов И 19.1 и 19.2,,вторые входы которых объединены и являются вторым входом блока 6, первый вход которого соединен с вторыми входами первого и второго компараторов, выходом блока 6 являются выходы второго и третьего элементов

И 19 ° 1 и 19.2.

Устройство для измерения сдвига фаз работает следующим образом.

Опорный и измеряемый сигналы поступают на соответствующие входы устройства, с помощью усилителей-ограничителей 1 и 5 усиливаются и ограничиваются по амплитуде и поступают на соответствующие входы фазового детектора 4. Причем опорный сигнал после усилителя-ограничителя 1 проходит управляемый фазовращатель

2, где получает определенный сдвиг, и компенсирующий фазовращатель 3, где осуществляется сдвиг фазы опорного сигнала на 90 плюс угол, компенсирующий разность статических набегов фаз измерительного и опорного каналов устройства. Фазовый детектор 4 сравнивает фазы опорного и измерительного сигналов и на его выходе появляется сигнал, амплитуда которого соответствует сдвигу фаз опорного и измеряемого сигналов. Выходной сигнал фазового детектора 4 поступает на вход блока 6, а значит, на соответствующие входы компараторов 16,1, 16.2. Пороги срабатывания компараторов установлены с помощью источника !4 постоянного напряжения и резистивных делителей 15.1 и 15.2 напряжения и равны один U, а другой !1 (фиг ° 3). Тогда выходной сигнал с фазового детектора 4 в зависимости от своей амплитуды может попасть в один из трех амплитудных диапазонов: О,, б, границы которых определяются нулем, порогами срабатывания компараторов 16.1 и 16.2 U< и U и максимальной величиной ампР литуды выходного сигнала фазового детектора 4 U ayr, (фиг.3) . Каждому,1285396 из этих диапазонов соответствует свой код на выходах компараторов 16,1 и 16,2. Так, диапазону и соответствует код "11", диапазону Π— "01", диапазону Ь вЂ” "00 (фиг.3). Пусть выходной сигнал фазового детектора

4 попадет в диапазон Q тогда на

/ выходе элемента И 17 появится сигнал, соответствующий уровню "1", и на выходе соответствующего элемента И 19 появится импульс генератора 7 импульсов, поступающий на второй вход порогового блока 6. Импульс с выхода соответствующего элемента И 19 поступит на суммирующий вход реверсивного счетчика 8, в соответствии с чем на его выходе цифровой код увеличится на "1", а это значит, что уп-. равляемый фазовращатель 2 увеличит угол сдвига фазы опорного сигнала.

Так как сдвиг фазы опорного сигнала увеличился, то амплитуда выходного сигнала фазового детектора 4 уменьшится, а это значит, что выходной сигнал фазового детектора 4 может попасть в амплитудный диапазон О,Если этого не произошло, то следующий импульс генератора 7 импульсов снова поступит через пороговый блок 8 на суммирующий вход реверсивного счет.чика 8 и весь процесс работы повто— рится снова. Так будет повторяться до тех пор, пока выходной сигнал фазового детектора 4 не попадет в

35 амплитудный диапазон Б . Если выходной сигнал фазового детектора 4 попал в амплитудный диапазон о, то процесс работы происходит аналогично описанному с той лишь разницей, 40 что открывается элемент ИЛИ-НЕ 18 и другой элемент И 19 и импульс с генератора 7 импульсов поступает на вычитающий вход реверсивного счетчика 8, который уменьшает на "1 циф- 45 ровой код на своем выходе, а значит, угол сдвига фаз управляемого фазовращателя 2 уменьшится, следовательно, амплитуда выходного сигнала фазового детектора 4 увеличится, Так будет продолжаться до тех пор, пока выход- ной сигнал фазового детектора 4 не попадет в амплитудный диапазон о

Таким образом, какой бы ни была амплитуда выходного сигнала фазового детектора 4, ее величина, спустя некоторое время, обязательно будет лежать в границах амплитудного диапазона Ь (фиг.3).

Цифровой код, соответствующий углу сдвига фаз управляемого фазовращателя 2, поступает на управляющие входы аналогового мультиплексора 12, который на вход операционного усилителя 13 в соответствии с этим кодом подключает выход соответствующего резистивного делителя 11 напряжения.

Операционный усилитель 13 суммирует напряжение с выхода соответствующего резистивного делителя 11 напряжения с напряжением выходного сигнала фазового детектора 4 и их сумму усиливает и подает на выход всего устройства.

Пусть угол сдвига фаз входных сигналов предлагаемого устройства равен тогда угол сдвига фаз входных сигналов фазового детектора 4 равен — Ь ф. где д р; — угол сдвига фазы опорного сигнала, вносимый управляемым фазовращателем 2, соответствующий i-му дискретному положению фазовращателя.

Если сигналы на входах фазового детектора 4 меняются по законам

U А соя (%/2 +at);

U< -Аcos (Qt +Ы), где А — уровень амплитудного ограничения усилителей-о граничителей 1 и 5; и0- частота входных сигналов;

Ы вЂ” угол сдвига фаз, измеряемый фазовым детектором 4, то на выходе фазового детектора 4 имеется сигнал !

1ьых K sin dе, где К вЂ” коэффициент передачи фазового детектора 4.

Если допустимая погрешность измерения угла сдвига фаз равна д4, то динамический диапазон измерения фазы устройством определяется по формуле

Таким образом, в пределах этого диапазона изменения угла сдвига фаэ выходной сигнал фазового детектора

:1285396

Так как выходной сигнал фазового детектора 4 B устройстье меняется от О до U „„„, то величине U „ соответствует угол сдвига фаз у1г/2, . нулю соответствует угол сдвига фаз - 6/2, величине .Uìà 2 соответствует угол сдвига фаз, равный нулю. Тогда пороги срабатывания порогового блока 6

0 и U устанавливаются на границах линейного диапазона работы фазового детектора 4 о по формуле

U маа

U пя

1 2 ц макс

U а 2

- K 6m< а выходной сигнал фазового детектора

4 обязательно попадет в амплитудный диапазон Б (фиг. 3), границы которого определяются уровнями Ц1 и U2 при этом выходной сигнал фазового детектора 4 будет прямо пропорционален углу сдвига фаз о1 входных сигналов фазового детектора 4; для учета угла сдвига фаз, вносимого управляемым фазовращателем 2, в устройство для измерения сдвига фаз введен блок 9 суммирования, который преобразует угол сдвига фаз, вносимый в опорный сигнал управляемым фазовращателем 2, в напряжение, амплитуда которого соответствует углу сдвига фаз управляемого фазовращателя 2Щ„ ; в масштабе выходного сигнала фазового детек тора 4 U,„ Кс . Это достигается тем, что каждый из и резистивных делителей 11 напряжения подбирается таким образом, чтобы напряжение на его выходе соответствовало соответствующему углу сдвига фаз управляемого фазовращателя 2, который однозначно определяется цифровым кодом

Вйа его управляющих входах. В качестве управляемого фазовращателя 2 используется дискретный фазовращатель на и положений.

Напряжение на выходе фазового детектора 4 равно

Цвыл= Ка%; где К - коэффициент пропорциональности с любой наперед заданной погреш ностью 4KAd пропорционален углу сдвига фаз 1 а< ° — угол сдвига фазы опорного

1 сигнала, вносимый фаэовращателем 2 и соответствующий i-иу дискретному поло5 жению фазовращателя, На выходе устройства появляется сигнал

Ц = 1(КсА+ Kzy ) = 1 К(Ы +аешь) и где 1 — коэффициент усиления операционного усилителя 13; — угол сдвига фаз между входными сигналами устрой15 ства, Период Т следования импульсов генератора 7 импульсов выбирается таким образом, чтобы Т > „,, где — время, необходимое для сра— батывания реверсивного счетчика 8, управляемого фазовращателем 2, фазового детектора 4 и порогового блока 6.

Дискретность установки фазы управляемым фазовращателем 2 выбирается равной величине линейного диапазона работы фазового детектора 4 и равна е . Гбила, где ьи — допустимая погрешность измерения сдвига фаз.

30 формулаизобретения

1.Устройство для измерения сдвига фаз состоящее из.последовательно соединенных управляемого фазовраща— теля, компенсационного фазовращателя, фазового:,детектора и порогового элемента, к второму входу которого подключен генератор, а выходы порогового элемента соединены- соответственно со счетными входами реверсивного счетчика, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены два усили45 теля-ограничителя, входы которых являются входами устройства, блок суммирования, информационные вхо1 ы которого объединены соОтветственно с входами управляемого фазовращателя

5О и выходами реверсивного счетчика, а выход фазового детектора соединен с вторым входом блока суммирования,выход которого является выходом всего устройства.

2. Устройство по п.1, о т л и ч ающе е ся тем, что блок суммирования состоит из аналогового мультиплексора, операционного усили1285396 теля, источника постоянного напряжения, последовательно соединенного с и делителями напряжения, выход каждого из которых соединен с соответствующим входом аналогового мультиплексора, выход которого соединен с одним из входов операционного усилиФиг. 2 ди аоаюороЮ

U aac

Составитель А.Шубин

ТехРед И.Попович Корректор Л. Пилипенко

Редактор С. Пекарь

Заказ 7639/44 Тираж 730 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, г.ужгород, ул.Проектная, 4

LI1 макс г

Ug теля, другой вход которого является первым входом блока суммирования, а управляющие входы аналогового мультиплексора являются другими входами блока суммирования, причем выход операционного усилителя является выходом всего блока суммирования.