Цифровой фазометр для измерения среднего значения сдвига фаз

 

773519 рователя импульсов, шина запуска соединена со входом одновибратора, выход которого через четвертый ключ подключен ко второму триггеру, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первыми входами пятого и шестого ключей, ко вторым входам которых подключены генераторы эталонной частоты, а выходы — через первый эле мент ИЛИ соединены с первыми входами второго и третьего ключей и непосредственно — со вторыми входами первого О и второго элементов И, выход первого из которых через второй элемент ИЛИ, а выход второго через блок селекции и второй элемент ИЛИ соединены со входами электронного коммутатора и перво-f$ го триггера, выход первого элемента И соединен также через третий триггер со вторым входом четвертого ключа.

На фиг..1 изображеиа структурная электрическая схема предлагаемого фа- З) зометра; на фиг. 2 - временные диаграммы его работы.

Фазометр содержит входные ключи 1 и 2, триггеры 3, 4 и 5, формирователь

6 импульсов, элементы И 7 и 8, ключи

9-14, генераторы 15 и 16 эталонной частоты, элементы ИЛИ 17 и 18 одновибI ратор 19, электронный коммутатор 20, счетчик 21 периодов, счетчики 22 и 23 эталонной частоты, шину 24 запуска И,. блок 25 селекции. 30

Фазометр работает следующим образом.

В исходном состоянии триггер 3 находится в первом устойчивом состоянии и удерживает входной ключ 1 открытым, 35 а входной ключ 2 — закрытым, ключи

11-14, закрыты, ключи 9 и 10 открыты.

Входные напряжения 0„ и U2, частоты

Е, фазовый сдвиг (которому на фиг. 28, соответствуеТ фазовый интер- ц) вал tp) между которыми необходиМо измерить, подают на входные ключи 1 и

2. Входное напряжение U4, подключенное.к открытому входному ключу 1, будет опорным напряжением, а входное напряжение U2, подключенное.к входному ключу 2 — измеряемым напряжением.

Опорное напряжение через входной ключ

1 поступает на формирователь 6 импульсов, который преобразует его в прямоугольные импульсы напряжения длительностью Т с периодом следования Т =1/ х, (фиг. 2а), привязанные к моментам перехода опорного напряжения через нуль.

Эти импульсы поступают на первые входы ключа 12 и элементов И 7 и 8.

На второй же вход элемента И 7 с выхода генератора 15 эталонной частоты через открытый ключ 10 поступают прямоугольные импульсы напряжения длительностью L с периодом следования Т> 1/Уз(фиг. 2ъ). Последние, кроме того, через элемент ИЛИ 17 поступают на входы ключей 13 и 14.

В случае, когда частота fy, входных сигналов кратна эталонной частстте С генератора 15 и начальные фазы этих колебаний различны, время ожидания совпадения импульсов на входе элемента И 7 может быть как угодно большим и перебрасывания триггера 4 не происходит. В то же время одновибратор 19, запускаемый импульсом запуска по шине 24, формирует импульс напряжения длительностью Q, задний фронт которого через открытый ключ 9 перебрасывает триггер 5. Последний закрывает ключ 10 и открывает ключ

11, тем самым прекращается поступление на второй вход элемента И 7 импульсов с выхода генератора 15 эталонной частоты f> . Ко второму входу элемента И 8 подключается выход генератора 16 эталонной частоты f, который формирует прямоугольные импульсы напряжения длительностью t c периодом следования Тэ =

Последние, кроме того, поступают через элемент ИЛИ 17 на входы ключей

13 и 14.

Длительность Q импульса одновибратора 19 выбирается из следующих соображений.

Временной интервал T между последовательными совпадениями во времени им-. пульсов длительностью с периодами следования Т и ТЭ равен т (1) с 2

Исходя .из формулы (1) длительность

Q импульса одновибратора определяется

ТхН Тз е (2) где T — наибольший из периодов следования входных сигналов.

Из выражения,(2) следует, что одновибратор 19 задает максимальный временный интервал, в течение которого возможно совпадение импульсов, сформированных соответственно из входного сигнала и сигнала генератора 15. Если же в течение времени Q совпадения импульсов на входе элемента И 7 не происходит, то из этого следует, что частота f входных сигналов кратна или равна частоте f9 генератора 15, причем начальные фазы колебаний входных сигналов и эталонной частоты различны

Поскольку частота f = Гэ+ д f (где А f — разница между частотами и f ), т. е. частота 1В уже не кратна частоте f входных сигналов, то неизбежно произойдет совпадение з во времени выходного импульса формирователя 6 с импульсом генератора 16 эталонной частоты

Оценим величину разницы hf. Погрешность измерения временных инвервалов, заключенных между импульсами совпадений, используемых для определения искомого фазового сдвига, в известном устройстве составляет + 2 .

773519

Чтобы не превысить эту погрешность и при измерениях фазовых сдвигов на частотах входных сигналов, кратных частоте fg (т. е. в том случае, когда происходят совпадения импульсов формирователя б с импульсами генератора 16 эталонной частоты f> ) и учитывая, что частоты Г„ и f> близки, так как Ь f невелика, необходимо, чтобы выполнялось условие бтра gC

Так как величина Л Т равна (3) (4) TB =o эТЭ где о — относительная нестабильность

3 эталонной частоты f > относительно эталонной частоты f9, то из последнего равенства получают

ñ 2ь /Т

Тогда эталонная частота 1 определяется из выражения

fÝ f9 +

Если, например f = 10 Гц и 2 ь =

10 ñ, с учетом (3) имеют сакэ =- - = 10 и f = 10 Гц +

1ОВ -, 6

+ 10 Гц т. е. условие (3)., обеспечивающее необходимую точность измерения на частотах входных сигналов, кратйых эталонной частоте f>, технически реализуется просто.

Из условия (3) также следует, что при сравнении во времени (в элвменте

И 8) последовательностей импульсов длительностью с близкими периодами

Т и Т, т. е. в случае кратности частот fп и f ), будут иметь место не одиночные совпадения импульсов, а периодически следующие пакеты совпадений, число импульсов в которых прямо пропорционально и обратно пропорционально разности (Тх -Т ). Для обеспечения возможности измерения в этом случае пакеты. совпадений с выхода элемента И 8 поступают на вход блока

25 селекции, функциональное назначе; ние которого состоит в выделении одийаковых по номеру (например первых) импульсов пакетов совпадений. Т. е. из пакета совпадений, поступившего на вход блока 25 селекции, на выход последнего проходит только один импульс, что необходимо для нормальной работы фазометра.

Далее импульс с выхода блока 25 се лекции через элемент ИЛИ 18 поступает на входы электронного коммутатора 20 и триггера 3. Последний перебрасывается во второе устойчивое состояние, закрывая входной ключ 1 и открывая входной ключ 2, через который измеряемое напряжение начинает поступать .на вход формирователя б импульсов, который преобразовывает его в прямоугольные импульсы напряжения длительностью Г с периодом следования Т„

1/f (фиг. 2,5), привязанные к моментам перехода измеряемого напряжения через нуль.. Далее эти импульсы поступают на первые входы элементов

И 7 и 8, и ключа 12. Одновременно с этим срабатывает электронный коммутатор 20 и на его обоих выходах появляется единичный уровень напряжения, который открывает ключи 12, 13 и 14.

Через открытый ключ 12 с выхода формирователя б импульсов на вход счетчика 21 периодов начинают поступать импульсы измеряемого напряжения, через открытые ключи 13 и 14 на входы соответственно счетчиков 22 и 23 начинают поступать с выхода элемента

ИЛИ 17 импульсы с выхода генератора

16 эталонной частоты. Ъ

20 . При совпадении во времени выходного импульса формирователя б, сформированного из измеряемого напряжения, с импульсом генератора 16 вновь срабатывает элемент И 8 и Hà его выходе

2 появится пакет совпадений. Импульс, выделенный иэ последнего блоком 25 селекции, через элемент ИЛИ 18 поступает на вход триггера 3 и возвращает его в исходное состояние. ВходЗ® ной ключ 2 закрывается, а входной ключ 1 открывается и опорное напряжение через формирователь б импульсов начинает поступать на первые входы элемента И 8 и ключа 12. Тот же импульс с выхода элемента И 8, поступая на вход электронного коммутатора 20, снимает единичный уро вень напряжения с его первого выхода, закрывая ключ 14. Тепе самым в счетчике 23 эталонной частоты форми40 руется код m..

При совпадении во времени выходно.го импульса формирователя б импульсов, сформированного из опорного напряжения, с импульсом генератора 16

4 снова срабатывает элемент И 8 и на его выходе появится пакет совпадений, из которого блок селекции 25 выделяет импульс, поступающий через элемент

ИЛИ 18 на электронный коммутатор 20.

Последний снимает единичный уровень напряжения со своего второго выхода, закрывая ключи 12 и 13. Тем самым в счетчике 21 периодов формируется код

А, а в счетчике 22 эталонной частотыкод и.

Далее коды А, m и вводятся в электронную цифровую вычислительную машину для вычисления искомого фазового сдвига, который определяется по

Формуле (д- )(м- ) P =

Il (3) ma -а где

773519

Формула изобретения

Цифровой фазометр для измерения среднего значения сдвига фаз, содержащий входные ключи, управляющие входы которых подключены к выходам первого триггера, а выходы — ко входу формирователя импульсов, выход которого соединен с первыми входами первого элемента И и первого ключа, с выходом которого соединен вход счетчика периодов, электронный коммутатор, первый выход которого подключен к управляющим входам первого и второго ключей, а второй выход — к управляющему входу третьего ключа, два счетчика эталонной частоты, соединенные

Из выражения (3) следует, что . фазовый сдвиг Р является инвариантным (независимым) по отношению к значению эталонной частоты Г или

Когда частота fg входных сигналов не кратна частоте f> генератора 15, тогда совпадение во времени импульсов на входе элемента И 7 произойдет раньше,,чем окончится импульс длительностью 0. одновибратора 19, и импульс с выхода элемента 7, перебросив триггер 1р

4, закроет ключ 9, тем самым запрещая переброс триггера 5 после окончания импульса одновибратора. Следовательно, в течение времени измерения ко второму входу элемента И 7 будет подключен генератор 15 эталонной частоты. Во всем остальном работа фазометра протекает аналогично, но эа исключением того, что импульсы совпадения с вы-хода элемента И 7 поступают на вход элемента ИЛИ 18 непосредственно. 20 с выходами второго и третьего ключей, и первый генератор эталонной частоты, отличающийся тем, что, с целью обеспечения возможности измерения фазовых сдвигов на частотах, кратных эталонной частоте, в него дополнительно введены второй генератор эталонной частоты, второй элемент И, одновибратор, два триггера, три ключа, два элемента ИЛИ, блок селекции и шина запуска, причем первый вход второго элемента И соединен с выходом формирователя импульсов, шина запуска соединена со входом одновибратора, выход которого через четвертый ключ подключен ко второму триггеру, первый и второй выходы которого соединены с первыми входами пятого и шестого ключей, ко вторым входам последних подключены первый и второй генераторы эталонной частоты, а выходы этих ключей через первый элемент

ИЛИ соединены с первыми входами второго и третьего ключей и непосредственно — co вторыми входами первого и второго элементов И, выход первого элемента И через второй элемент ИЛИ, а выход второго элемента И через блок селекции и второй элемент ИЛИ соединены со входами электронного коммутатора и.первого триггера, выход первого элемента И соединен также через третий триггер со вторым входом четвертого ключа.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

Р 231665, кл ° G 01 R 25/08, 18.07.67.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 381038, кл. G 01 R 25/08, 26.02.71.

773519

Ðèå. Я

Составитель В. Новожилов

Редактор М.Недолуженко ТехредМ.Табакович Корректор Г.Назарова

Тираж 1019

Заказ 7494/57

Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент" г. Ужгород, ул. Проектная, 4