Цифровой фазометр с синхронной дискретизацией входных сигналов

 

Изобретение относится к фазоизмерительной технике и может быть использовано для определения угла сдвига. Целью изобретения является повышение точности. Фазометр содержит генератор стробирующих импульсов, микропроцессор, индикатор измеренных значений угла фазового сдвига и два канала, каждый из которых состоит из трех аналого-цифровых преобразователей и двух линий задержки 6 ил., 3 табл.

Изобретение относится к фазоизмерительной технике и может быть использовано для определения угла фазового сдвига (УФС) между двумя электрическими напряжениями синусоидальной формы.

Существует цифровой фазометр с постоянным измерительным временем [2]. Сущность работы устройства заключается в измерении среднего значения относительной величины временного сдвига между исследуемыми напряжениями за некоторое время, не зависящее от частоты исследуемого процесса.

Недостатками устройства являются: низкочастотная и высокочастотная погрешность дискретного преобразования; амплитудно-фазовая погрешность, обусловленная несовершенством формирующих устройств.

Существует цифровой фазометр [1]. Сущность работы устройства заключается в измерении интервала времени между переходами исследуемых напряжений через нуль с последующим или одновременным определением фазового сдвига между этими напряжениями.

Недостатками устройства являются: сложность процедуры измерения и схемной реализации; узкий диапазон измеряемых частот; амплитудно-фазовая погрешность, обусловленная несовершенством формирующих устройств.

Существует также цифровой фазометр [3] - прототип. Этот цифровой фазометр состоит из генератора стробирующих импульсов, микропроцессора, индикатора измеренных значений угла фазового сдвига, а также двух аналогово-цифровых преобразователей в каждом из каналов, при этом выход генератора соединен с АЦП, на входе которых подаются измерительные сигналы, а выходы соединены с микропроцессором (фиг. 1).

Принцип работы предложенного устройства заключается в следующем.

Поскольку величина угла фазового сдвига пропорциональна разности времен пересечения входными сигналами нулевого уровня, то определить ее можно, вычитая время, прошедшее от момента пересечения нулевого уровня для первого и второго входного сигнала (фиг. 2), при этом длительность интервалов будет определяться как где n₁ и n₂ - число выборок сигнала, поступивших с момента начала измерений до момента смены выборки в первом и во втором каналах соответственно; ΔT - период дискретизации; Δt_p1 и Δt_p2 - интервал времени между последней выборкой перед сменой знака и точкой пересечения нулевого уровня.

Для устройства, в котором предусмотрен метод сокращения погрешности, интервалы времени для каждого канала будут определяться по формуле в зависимости от последовательности поступления выборок перед моментом пересечения сигналом нулевого уровня (фиг. 3).

Недостатки прототипа: существенное возрастание составляющей погрешности измерения УФС, обусловленной линейной аппроксимацией входящих сигналов при приближении значения их частоты к частоте дискретизации.

Целью изобретения является повышение точности измерения угла фазового сдвига (УФС).

Существенным, на наш взгляд, отличием предлагаемого нами фазометра от прототипа является наличие в схеме измерителя угла фазового сдвига дополнительно двух АЦП и двух линий задержки стробирующих импульсов дискретизации, сдвигающих их на определенный интервал времени и управляемых с помощью микропроцессора, а также выбор микропроцессором наименьшей из трех выборок до пересечения сигналом нулевого уровня и после в каждом из каналов.

На фиг. 1 - представлена структурная схема измерителя фазы; на фиг.2 - графики, поясняющие принцип определения УФС для фазометров с синхронной дискретизацией входных сигналов; на фиг. 3 - положение выборок дискретизации при наличии дополнительных АЦП; на фиг. 4 - графическое отображение погрешности, обусловленной линейной аппроксимацией; на фиг. 5 - зависимость значения погрешности, обусловленной линейной аппроксимацией от положения выборки относительно перехода сигнала через нулевое значение; на фиг. 6 - временные диаграммы, поясняющие вопрос определения максимального значения погрешности аппроксимации.

Цифровой фазометр (фиг.1) содержит микропроцессор 1, устройство отображения результатов измерений 2, аналогово-цифровые преобразователи 3, линии задержки 4 и генератор стробирующих импульсов 5.

Фиг. 4 показывает синусоидальное колебание с максимальным значением V_p и периодом дискретизации α между двумя последовательными выборками, Θ - положение выборки относительно перехода сигнала через нуль, V₁ и V₂ - значения выборок до и после пересечения нулевого уровня синусоидальным колебанием соответственно. Если выборки интерполируются линейно, то погрешность фазы Φ_e1 обусловленная неточным определением точки пересечения нулевого уровня, согласно (1) будет определяться выражением
Расчетные значения Φ_e1 для некоторых заданных значений α и Θ приведены в табл. 1, согласно которым построен график на фиг. 5 зависимости Φ_e1 от Θ при α = 50° , откуда следует, что погрешность, обусловленная смещением точки пересечения нулевого уровня, имеет максимальное значение Φ_e1max , при значении угла Θ = Θ_max . Это значение можно определить, взяв первую производную по Θ от выражения (1) и приравнивая ее нулю, откуда получим

Для снижения погрешности, обусловленной сдвигом точки пересечения нулевого уровня, вызванного линейной аппроксимацией, входной сигнал каждого из каналов дополнительно дискретизируется через промежутки времени 2Θ_max и 3Θ_max. С помощью временных диаграмм (фиг. 6) проведем анализ возможных значений Φ_e1 от Θ , причем полагая, что для определения погрешности аппроксимации выбираются минимальные значения выборок до и после пересечения нулевого уровня, либо принимается Φ_e1= 0 при равенстве одной из них нулю
а) при Θ = 0 значение Φ_e1= 0, поскольку значение выборки на выходе АЦП1 равно нулю;
б) при 0 < Θ < 2Θ_max значение Φ_e1 определяется из формулы (1), однако значение для данного случая будет равно 2Θ_max;
в) при Θ = 2Θ_max, Φ_e1= 0, так как значение выборки на выходе АЦП2 равно нулю;
г) при 2Θ_max< Θ < 3Θ_max значение Φ_e1 определяется из формулы (1) для α = Θ_max
д) при Θ = 3Θ_max Φ_e1= 0 так как значение выборки на выходе АЦП3 равно нулю;
е) при 3Θ_max< Θ < α значение Φ_e1 находится аналогично варианту (б);
ж) при Θ = α значение Φ_e1= 0 поскольку значение выборки на выходе АЦП опять становится равным нулю.

Из предыдущих рассуждений следует, что максимальное значение погрешности из-за линейной аппроксимации функции сигнала будет определяться ее значением для α = 2Θ_max например, для α = 50° максимальное значение Φ_e1 будет соответствовать значению α = α₁= 2Θ_max= 2·10,213 = 20°. Из табл.1 находим, что Φ_e1max= 0,6345° для α = 50° и Φ_e1max= 0,03924 для α = α₁= 20° откуда получаем

С помощью ЭВМ по формуле (2) определены значения Θ_max для различных значений α (см. табл.2).

Аппроксимируя функцию (см. табл. 2) отрезком прямой, получим:
Θ_max= 0,19113·α (4)
В табл. 3 приведены значения Φ_e1 рассчитанные по формулам (3) и (4) - точное и аппроксимированное выражение функции соответственно, а также их разность Δ.

Из таблицы следует, что, если требуемая точность определения погрешности, вызванная линейной аппроксимацией, не превышает 0,002⁰, то в этом случае можно использовать приближенную формулу (4), что существенно упрощает определение Θ_max.

Из вышеизложенного следует, что повышение точности измерения угла фазового сдвига достигается тем, что в цифровой фазометр, содержащий генератор стробирующих импульсов, микропроцессор, индикатор измеренных значений угла фазового сдвига, а также двух аналогово-цифровых преобразователей в каждом из каналов, при этом выход генератора соединения с АЦП, на выходы которых подаются измеряемые сигналы, а выходы соединены с микропроцессором, введены два АЦП и две линии задержки в каждый из каналов, причем вход каждого дополнительного АЦП соединен с входом первого АЦП, а выходы - с микропроцессором, выход генератора подсоединен к входу линий задержки, выходы которых в свою очередь поданы на тактовый вход АЦП, а управляющие входы соединены с микропроцессором.

Наличие в схеме цифрового фазометра в каждом из каналов дополнительно двух АЦП и линий задержки, управляемых от микропроцессора, позволяет дополнительно осуществлять дискретизацию входных сигналов и соответственно определить значения выборов в точках дискретизации. Последовательность переключения АЦП не зависит от выбранных значений Θ и Φ , а определяется номером АЦП. При запуске устройства стробирующие импульсы, поступающие от генератора, подаются на первое, затем на второе и третье АЦП, причем включение второго и третьего будет задержано на интервал времени τ_л32 и τ_л33, , соответственно. Значения τ_л32 и τ_л33 определяются по формулам (см. описание устройства)

где
f - частота входного сигнала.

Выборки от каждого из трех АЦП поступают на микропроцессор, который выбирает из этих значений наименьшие, до и после пересечения каждым из сигналов нулевого уровня.

Выбор наименьших значений выборок до и после пересечения сигналом нулевого уровня осуществляется следующим образом. Выборки всех трех АЦП записываются путем прямого доступа к памяти в буфер, работающий по принципу "первый пришел - первый вышел", причем знаковый разряд используется для инициализации прерывания микропроцессора и считывания им информации из буфера. Таким образом текущее и предыдущее значения АЦП подвергаются обработке, причем находятся они на ближайшем расстоянии от точки пересечения сигналом нулевого уровня, а потому имеют минимальные значения. Так как дополнительная дискретизация уменьшает расстояние между выборками, то уменьшится и значение погрешности определения точки пересечения нулевого уровня сигналами за счет их линейной аппроксимации - Φ_e1x и Φ_e1y .

Поскольку общая погрешность определения точки пересечения нулевого уровня одним сигналом Φ_e определяется суммой двух составляющих ±Φ_e1x ±Φ_e2x - для первого и ±Φ_e1y ±Φ_e2y - для второго канала ( Φ_e2x и Φ_e2y - погрешность, обусловленная квантованием сигналов в первом канале), то с уменьшением первой составляющей (значение Φ_e для каждого из сигналов также незначительно уменьшится) уменьшается и погрешность измерения угла фазового сдвига между самими сигналами, равная
Φ = ±Φ_e1x ±Φ_e2x ±Φ_e1y ±Φ_e2yю

Формула изобретения

Цифровой фазометр с синхронной дискретизацией входных сигналов, состоящий из генератора стробирующих импульсов, микропроцессора, индикатора измеренных значений угла фазового сдвига и двух каналов, каждый из которых содержит аналого-цифровой преобразователь, причем на входы аналого-цифровых преобразователей подаются измеряемые сигналы, а их выходы подключены к микропроцессору, выход генератора стробирующих импульсов подключен к тактовым входам аналого-цифровых преобразователей, отличающийся тем, что в каждый из каналов введены второй и третий аналого-цифровые преобразователи и две линии задержки, на входы вторых и третьих аналого-цифровых преобразователей подаются измеряемые сигналы, выходы вторых и третьих аналого-цифровых преобразователей подключены к микропроцессору, соединенному с управляющими входами линий задержки, входы которых подключены к выходу генератора стробирующих импульсов, выходы линий задержки соединены с тактовыми входами соответствующих аналого-цифровых преобразователей.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7