Дифференциальный фазочувствительный преобразователь напряжение - код

 

Изобретение относится к электрическим измерениям в диапазонах инфранизких и звуковых частот и может быть использоваться при измерении параметров гармонических сигналов в акустике, океанологии, геофизике и т.д. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей, осуществляемая путем измерения квадратурных компонентов вектора сигнала, получаемого путем суммирования двух исходных сигналов, в декартовой системе координат, задаваемой вектором разностного сигнала, который образуется путем векторного вычитания указанных сигналов. Для этого в устройство, содержащее частотный преобразователь, счетчик импульсов, измеритель временных интервалов и логические элементы, введены система для формирования суммарного и разностного сигналов и вычислительно-управляющее устройство. На первом этапе работы системы производится кодирование средневыпрямленного значения разностного сигнала и временного положения его нуль-переходов, на втором -формирование фиктивного опорного сигнала, квадратурное разложение вектора суммарного сигнала и нормализация результатов измерений. 4 ил.

Изобретение относится к электрическим измерениям в диапазонах инфранизких и звуковых частот. Оно может использоваться при экспериментальном определении амплитудно-фазовых частотных характеристик четырехполюсников при акустических измерениях, исследованиях в области систем автоматического управления и регулирования, в геофизике, океанологии, биофизике и т.д. Непосредственное назначение предлагаемого устройства фазочувствительное преобразование переменного напряжения в цифровой код с определением квадратурных компонентов вектора суммарного сигнала, образуемого векторным сложением двух исходных дифференциальных сигналов, в системе координат, в которой вектор разностного сигнала, получаемый путем векторного вычитания двух указанных сигналов, имеет лишь положительную действительную составляющую. Подобная измерительная процедура может использоваться, в частности, в геоэлектроразведке при профилировании по методу срединного градиента с изучением полей вызванной поляризации маломощных крутопадающих жильных и пластовых геологических образований.

Известен фазочувствительный вольтметр по [1] позволяющий определять квадратурные компоненты вектора измеряемого сигнала в декартовой системе координат, задаваемой вектором опорного сигнала, с исключением влияния нестабильности параметров отдельных узлов системы путем введения предварительного эталонировочного такта работы. Устройство по [1] содержит измерительный частотный преобразователь, компаратор, счетчик импульсов, задающий генератор, ключи (элементы И), измеритель временных интервалов (схему определения периода измеряемого напряжения) и т.д.

Недостаток аналога ограниченные функциональные возможности, ибо с его помощью нельзя найти квадратурные компоненты вектора суммарного сигнала, получаемого векторным сложением двух исходных дифференциальных сигналов, в системе координат, которая задается вектором разностного сигнала, образуемого путем вычитания двух упомянутых сигналов.

Известно также цифровое устройство для измерения комплексных величин по [2] принятое за прототип предлагаемого изобретения. Система по [2] используется при кодировании амплитуды и фазы переменного напряжения путем предварительного определения квадратурных компонент этого напряжения в системе координат, задаваемой вектором опорного сигнала, с последующим аппаратным вычислением искомых величин. Прототип содержит измерительный частотный преобразователь, счетчик импульсов, измеритель временных интервалов (умножитель частоты совместно со счетчиком импульсов), задающий генератор, элементы И, ИЛИ, устройство индикации, а также преобразователь кодов и преобразователи код-частота, которые совместно с двумя счетчиками импульсов образуют цифровое консервативное звено второго порядка, используемое при преобразовании кодов квадратурных компонент в искомые коды.

Недостаток прототипа ограниченные функциональные возможности - совпадает с недостатком аналога по [1] В основу настоящего изобретения была положена задача создания дифференциального фазочувствительного преобразователя напряжение- код с расширенными функциональными возможностями, которое позволило бы измерить квадратурные компоненты вектора сигнала, получаемого путем суммирования двух исходных обрабатываемых сигналов, в декартовой системе координат, действительная ось которой задается вектором разностного сигнала, образуемого путем векторного вычитания указанных сигналов.

Поставленная задача достигается тем, что в устройство, содержащее измерительный частотный преобразователь, счетчик импульсов, измеритель временных интервалов, задающий генератор, элементы И, ИЛИ и устройство индикации, введены коммутатор, мост Вина, апериодический и избирательный усилители, умножитель, переключатель, компаратор и вычислительно-управляющее устройство, причем коммутатор, мост Вина, апериодический усилитель, переключатель, избирательный усилитель, измерительный частотный преобразователь и счетчик импульсов соединены последовательно, умножитель установлен между сигнальным входом переключателя и выходом коммутатора, управляющие входы коммутатора и умножителя подключены к задающему генератору, вход сброса измерителя временных интервалов совместно с одним из входов элемента ИЛИ соединен с выходом избирательного усилителя через элемент И и компаратор, выход заема измерителя временных интервалов подключен к второму входу элемента ИЛИ и входу сброса счетчика импульсов, информационные входы-выходы измерителя временных интервалов и вычислительно-управляющего устройства связаны между собой, выходы счетчика импульсов и элемента ИЛИ подключены соответственно к информационному входу и входу записи вычислительно-управляющего устройства, управляющий выход последнего связан с переключателем, избирательным усилителем, элементом И и управляющим входом измерителя временных интервалов, а информационный выход с устройством индикации.

Отдельные отличительные признаки предложения совпадают с некоторыми частотными признаками устройств по [3] [5] Так [3] содержит измерительный частотный преобразователь, блоки управления и обработки, образующие вычислительно-управляющее устройство, счетчик импульсов и задающий генератор, который в [3] подключен к смесителям частоты, тогда как в предложении этот узел связан с управляющими входами коммутатора и умножителя. Далее счетчик импульсов в [3] установлен между смесителем частоты и блоком обработки, а в предложении между вычислительно-управляющим устройством и измерительным частотным преобразователем. Последний в [3] связан с триггером и вентилем, а в предложении с избирательным усилителем и счетчиком импульсов.

В фазочувствительном преобразователе по [4] измеряются мгновенные значения входного сигнала с помощью аналого-цифрового преобразователя с предвключенным устройством выборки-хранения. Полученный поток цифровых отсчетов обрабатывается вычислительно-управляющим устройством, построенным на основе микрокомпьютера. Общие узлы системы по [4] и рассматриваемого предложения: апериодический усилитель и вычислительно-управляющее устройство, однако в [4] усилитель включен между входной шиной и аналого-цифровым преобразователем, а в предложении между мостом Вина и переключателем. Далее вычислительно-управляющее устройство в [4] подсоединено к блоку задержки и аналого-цифровому и цифроаналоговому преобразователям, а в предлагаемой системе к узлам, отсутствующим в [4] счетчику импульсов, измерителю временных интервалов, элементу ИЛИ и отсчетному устройству.

Фазочувствительный преобразователь по [5] содержит последовательную цепь из апериодического усилителя, измерительного частотного преобразователя, клапана и цифрового процессора. В сравнении с [5] в предлагаемом устройстве изменены связи усилителя, измерительного частотного преобразователя и счетчика импульсов с прочими узлами системы.

Таким образом никакие из признаков устройств по [1] [3] [5] не перенесены в предложение непосредственно без их значительной трансформации и появления нового сверхсуммарного эффекта, отображенного в формулировке задачи изобретения. Поэтому в соответствии с [6] конструируем, что только совокупность существенных признаков предлагаемого устройства позволит осуществить поставленную задачу, т.е. получить дифференциальный фазочувствительный преобразователь напряжение-код с расширенными функциональными возможностями.

На фиг.1 представлена структурная схема предложения; на фиг.2 векторная диаграмма; на фиг.3 и 4 эпюры.

На фиг.1 использованы следующие обозначения отдельных узлов и элементов преобразователя: 1 и 2 -сигнальные входы коммутатора (К), 3 входы устройства, 4 управляющий вход, 5 мост Вина (МВ), 6 апериодический усилитель (УС), 7 компаратор (КП), 8 элемент И, 9 задающий генератор (ЗГ), 10 умножитель (УМ) с сигнальным входом 11 и управляющим входом 12, 13 переключатель (П) с сигнальными входами 14.1 и 14.2 и входом управления 15, 16 избирательный усилитель (ИУС), 17 измеритель временных интервалов (ИВИ), 18 вход "сброс" (ИВИ), 19 управляющий вход (ИВИ) 17, 20 выход "заем" (ИВИ) 17, 21 информационный вход-выход (ИВИ) 17, 22 измерительный частотный преобразователь (ИЧП), 23 -элемент ИЛИ, 24 счетчик импульсов (СМ), 25 счетный вход (СИ) 24, 26 вход сброса (СИ) 24, 27 -выход (СИ) 24, 28 - вычислительно-управляющее устройство (ВУУ), 29 вход "запись" (ВУУ) 28, 30 -информационный вход (ВУУ) 28, 31 и 32 входы (ВУУ) 28 для ввода величин, соответственно p>q и l, 38 информационный выход (ВУУ) 28, 34 вход "вывод" преобразователя, 35 управляющий выход (ВУУ) 28, 36 информационный вход-выход (ВУУ) 28, 37 устройство индикации (УИ), 38 вход "запуск".

Коммутатор 3, МВ 5, УС 6, П 13, ИУС 16, ИЧП 22 и СИ 24 соединены последовательно. Умножитель 10 установлен между сигнальными входом 14.1 П 13 и выходом К 3, управляющие входы 4 и 12 соответственно К 3 и УМ 10 подключены в ЗГ 9. Вход 18 сброса ИВИ 17 совместно с одним из входов элемента ИЛИ 23 соединен с выходом ИУС 16 через элемент И 8 и КП 7. Выход 20 заема ИВИ 17 подключен к второму входу элемента ИЛИ 13 и входу 26 сброса СИ 24. Информационные входы-выходы 21 ИВИ 17 соединены с аналогичными входами-выходами 36 ВУУ 28. Выходы 27 СИ 24 и выход элемента ИЛИ 23 подключены соответственно к информационному входу 30 и входу 29 записи ВУУ 28, управляющий вход 35 ВУУ 28 связан с входом управления 15 П 13, ИУС 16, элементом И 8 и управляющим входом 19 ИВИ 17, а информационный выход 33 с УИ 37.

На входы 1 и 2 К 3 поступают обрабатываемые напряжения U₁= U_m1sinΩt и U₂=U_m2sin(Ωt+ϕ) где Ω - рабочая частота преобразователя, U_m1 и U_m2 амплитуды сигналов и ϕ - фазовый сдвиг (фиг.2 и эпюры 39, 40 фиг.3). Выходное напряжение коммутатора 3: , где F₁= (1+signsinωt)/2 и ω>>Ω - частота опроса источников сигналов. Временные зависимости U_k и F₁ представлены на эпюрах соответственно 42 и 41 фиг.3. После преобразований находим: где n 1, 3, Низкочастотная компонента сигнала U_k выделяется МВ 5 и усиливается УС 6. Выходное напряжение U_c усилителя (эпюра 43 фиг.3): U_p= K₁2^l+1[U_m1sinΩt+U_m2sin(Ωt+ϕ)] (2) Здесь 2^l+2 и K₁ 1/3 коэффициенты передачи соответственно УС 6 и МВ 5.

С помощью УМ 10 образуется произведение , где F₂= R₂signsinωt и K₂= 4/3 (эпюра 45 фиг.3). Удержим в продукте умножения компоненты с рабочей частотой Ω и найдем выходное напряжение U_p узла 10 (эпюра 46 фиг.3): На первом этапе работы системы к ИУС 16 подводится напряжение U_p, на втором U_c. Коммутация входных напряжений ИУС 16 осуществляется с помощью П 13 по соответствующему перепаду управляющего потенциала (эпюра 51 фиг.4), вырабатываемого ВУУ 28 и поступающего на вход 15 П 13. Указанный перепад воздействует также на ИУС 16 с целью уменьшения времени установления режима вынужденных колебаний при коммутации входных сигналов 7.

Выходное напряжение ИУС 16 формируется КП 7 (эпюра 48 фиг.4) и с помощью ИЧП 22 преобразуется в последовательность импульсов с частотой f(t) f₀ + kK₃U(t), где f₀ центральная частота ИЧП, K₃ -коэффициент передачи ИУС 16, k крутизна модуляционной характеристики ИЧП 22, U(t) величины U_p или U_c (эпюра 47 фиг.4).

Рассмотрим алгоритм функционирования цифровых узлов преобразователя. При t t₀ (фиг.4) на вход 38 устройства поступает положительный перепад сигнала "Запуск" (эпюра 49 фиг. 4). При t≥t₀ в момент времени t t₁, синхронизированный с положительным фронтом сигнала КП 7, начинает работать ИВИ. В это время (на этапе синхронизации) к ИУС 16 подводится напряжение U_p. Блок ИВИ 17 поочередно кодирует длительности импульсов Tt₁ и пауз T_i2 (i=1, 2,q) выходного сигнала КП 7 (эпюра 48 фиг.4). Здесь q объем выборки при синхронизации количество обрабатываемых периодов напряжения U_p. Получаемые в процессе кодирования 2q - операндов N_ij (j 1, 2) размещается в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ) и ВУУ 28. Эпюра 50 фиг.4 иллюстрирует процесс формирования кодов N_ij.

Импульсная последовательность ИЧП 22 интегрируется СИ 24. Эпюра 52 фиг.4 отображает характер изменения во времени содержимого СИ 24. Коды M_i1 и M_i2, отвечающие интервалам интегрирования соответственно T_i1 и T_i2, размещаются в ОЗУ ВУУ 28. В процессе получения кодов N_ij и M_ij ИВИ 17 периодически сбрасывается в нуль по положительным и отрицательным фронтам выходного сигнала КП 7 (элемент И 8 в это время соединяет выход КП и вход 18 ИВИ), при обнулении ИВИ на его выходе 20 возникает импульс "Заем", который устанавливает СИ 24 в нуль (используется вход 26 СИ). Упомянутый импульс транслируется элементом ИЛИ 23 на вход 29 ВУУ 28 и обеспечивает запись величин N_ij и M_ij в ОЗУ ВУУ.

После истечения q периодов сигнала U_p (при t t₂ на фиг.4) этап синхронизации заканчивается. Блок ВУУ 28 последовательно определяет численные значения следующих величин: Здесь f_m девиация частоты ИЧП, j<<1 - фазовый сдвиг между огибающей сигнала ИЧП и первой гармоникой выходного квазимеандра КП 7, возникающий из-за дрейфа напряжения смещения нуля последнего, ω - 2q частота квантующей импульсной последовательности в ИВИ 17, а k₁ и k₂ -константы.

При t t₂ ВУУ 28 формирует перепад управляющего потенциала (эпюра 51 фиг. 4), поэтому П 13 подводит к входу ИУС 16 сигнал U_c усилителя 6, ИВИ 17 по входу 19 переключается в режим вычитания, элемент И 8 разрывает связь КП 7 и ИВИ 17. Далее система переходит к генерированию фиктивного опорного сигнала, используемого при фазочувствительном преобразовании напряжения U_c. Предварительно с помощью ВУУ 28 вычисляется усредненный код N_cp полупериода:

где k порядковый номер операнда, сформированного ИВИ 17, и код ΔN коррекции:

При t t₂ в ИВИ, работающей в режиме вычитания, записывается код N_q2, после первого обнуления ИВИ код 2N_ср-N_q2+ ΔN (эпюра 50 фиг.4). При t t₃ (фиг. 4) в ИВИ заносится предварительно вычисленный ВУУ код N_cp/2, пропорциональный четверти периода π/2Ω обрабатываемого сигнала. В дальнейшем при каждом очередном обнулении ИВИ в него вновь вводится величина N_cp/2. Если приняты во внимание лишь те моменты обращения в нуль содержимого ИВИ, которые имеют нечетные номера (первый при t t₃), то построенная описанным образом периодическая последовательность моментов обнуления ИВИ, будучи продолженной на интервал синхронизации (t₁≅t≅t₂), наименее уклоняется в среднеквадратическом смысле от нуль-переходов выходного напряжения КП 7. Подобная процедура формирования опорного сигнала позволяет уменьшить воздействие помех нормального вида и устранить влияние дрейфа напряжения смещения КП 7.

При t>t₃ СИ 24 начинает интегрировать импульсную последовательности ИЧП 22, частота которой определяется сигналом U_c. Интервалы интегрирования, равные четверти периода (π/2Ω) обрабатываемого напряжения, задаются ИВИ (эпюры 50 и 52 фиг.4). В моменты обнуления ИВИ интегральные отсчеты снимаются с СИ 24 и заносятся в ОЗУ ВУУ 28. После истечения p периодов сигнала (при t t₄) измерительная процедура заканчивается. Блок ВУУ 28 формирует искомые коды N_r и N_i соответственно реальной и мнимой компонент сигнала U_c в системе координат, задаваемой сигналом U_p. В первом случае суммируются 1, 2, 5, 6, интегральные отсчеты, из полученной суммы вычитаются отсчеты с номерами 3, 4, 7, 8 и т.д. поэтому величина N_r может быть представлена в следующем виде:

где R(t) sign U_p(t) вектор коммутации канала реальной компоненты (эпюра 54 фиг.4). Во втором случае суммируются 1, 4, 5, 8, отсчеты, а вычитаются 2, 3, 6, 7, поэтому:

где вектор коммутации канала мнимой компоненты (эпюра 54 фиг. 4). На заключительном этапе работы ВУУ коды N_r и N_i нормируются следующим образом:

где γ=const.

При соответствующем выборе этой константы:

где Z U_m2/U_m1.

Таким образом величины A_r и A_i инвариантны к абсолютным уровням сигналов U₁ и U₂ и зависят лишь от отношения их амплитуд и фазового сдвига J. Поочередный вывод кодов A_r и A_t по (9) на УИ 37 осуществляется по соответствующему управляющему сигналу, поступающему на вход 34 преобразователя.

Итак, рассмотренная модификация фазочувствительного преобразователя переменного напряжения в цифровой код имеет расширенные функциональные возможности как в сравнении с прототипом, так и в сравнении с перечисленными выше аналогами. С помощью предложения можно измерить квадратурные компоненты вектора сигнала, получаемого путем суммирования двух исходных обрабатываемых сигналов, в декартовой системе координат, действительная ось которой задается вектором разностного сигнала, образуемого путем векторного вычитания указанных сигналов.

Источники информации
1. Быков В.Е. Цывинский В.Г. Маков Д.К. Фазочувствительный вольтметр инфранизких частот. Вестник Киевского политехнического института. Сер. автоматики и электроприборостроения, Киев, Изд. Киевского ин-та, 1973, с. 144 146.

2. Авторское свидетельство СССР N 759966, кл. G 01 R 17/20, 1980 - прототип.

3. Авторское свидетельство СССР N 1053285, кл. H 03 M 1/60, 1983.

4. Moto F. Ranieri G.A. Terenzi M. Microcomputer based phase sensitive detector, Journal of Physics E: Scientifiс Instruments, 1981, 14, N 1, p. 1253 1256.

5. Cova S. Longoni A. Freitas I. Versatile digital lock in detection technigne: application to spectrofluorometry and other fields. Review of Scientigic Instruments, 1979, 50, N 3, p. 296 301.

6. Изменения и дополнения, которые вносятся в инструкцию по государственной научно-технической экспертизе изобретений (ЭЗ-2-74) от 20.10.82, п.6.

7. Авторское свидетельство СССР N 1102018, кл. H 03 F 1/44, 1984.

Формула изобретения

Дифференциальный фазочувствительный преобразователь напряжение код, содержащий измерительный частотный преобразователь, счетчик импульсов, измеритель временных интервалов, задающий генератор, устройство индикации и элементы И и ИЛИ, причем выход элемента И соединен с первым входом элемента ИЛИ, отличающийся тем, что в него введены мост Вина, апериодический и избирательный усилители, умножитель, переключатель, компаратор, вычислительно-управляющее устройство и коммутатор, информационные входы которого являются одноименными входами преобразователя, выход коммутатора непосредственно подключен к информационному входу умножителя и через последовательно соединенные мост Вина и апериодический усилитель подключен к первому информационному входу переключателя, первый и второй выходы задающего генератора соединены с управляющими входами соответственно коммутатора и умножителя, выход последнего из которых подключен к второму информационному входу переключателя, выход которого соединен с информационным входом избирательного усилителя, первый выход которого через компаратор подключен к первому входу элемента И, выход которого соединен с входом сброса измерителя временного интервала, информационные вход и выход которого подключены соответственно к первым информационным выходу и входу вычислительно-управляющего устройства, управляющий выход которого соединен с вторым входом элемента И и с управляющими входами измерителя временных интервалов переключателя и избирательного усилителя, второй выход последнего из которых через измерительный частотный преобразователь подключен к счетному входу счетчика импульсов, выход которого соединен с вторым информационным входом вычислительно-управляющего устройства, второй информационный выход которого соединен с входом устройства индикации, выход заема измерителя временных интервалов подключен к входу сброса счетчика импульсов и к второму входу элемента ИЛИ, выход которого соединен с входом записи вычислительно-управляющего устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4