автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Преобразователи фазового сдвига

о Л

\ в № №

На правах рукописи

Саиелышков Валерий Михайлович

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ФАЗОВОГО СДВИГА

(принципы построения, развитие теории, исследование, разработка)

05.13.05 - элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

М>Л 1.05 - ирииорм » меюям и шерсимя тлсктрическик

и матичных ¡'.СЛИЧИМ

АВШРЕФЕРА!

диссертации на сшккаиис ученой ск-пепл локюра технических тук

Уфа 1997

Работа выполнена в Башкирском государственном университете.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки и техники РФ ' A.M. Беркутов; доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки и техники РФ А. И. Мартяшин; доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки и техники РБ М.А. Ураксеев.

Ведущее предприятие: НПФ «Геофизика»

Защита состоится « Я О» ф-еЯ1998 г. в Ю часо! заседании диссертационного совета Д-063.17.02 Уфимс государственного авиационного технического университета по ад| 450000, г. Уфа-центр, ул. К. Маркса, 12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимс государственного авиационного технического университета.

Автореферат разослан « /Г" » сЛм/ 1998 г.

Ученый секретарь • *

диссертационного Совета канд. техн. наук, доцент

Г.Н. Утляков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Составной частью автоматизированных систем управления являются преобразователи, которые воспринимают информацию и преобразуют ее для дальнейшей обработки. Количество и разнообразие преобразователей и предъявляемых к ним требований очень велико. Так, например, при построении АСУ технологическими процессами требуются измерения тысяч физических, химических и других величии.

Одной из причин, ограничивающих распространение автоматизированных систем управления, являются их не всегда удовлетворительные метрологические и эксплуатационные характеристики.

На момент начала работ особенно остро стоял вопрос с преобразователями фазовых сдвигов. Преобразователи фазового сдвига (ПФС) нашли широкое применение в автоматике, измерительной технике, электронике. Они используются для точного преобразования кода в фазовый сдвиг, для построения цифровых калибраторов фазы, цифровых вектормеров и компенсаторов переменного напряжения, для создания автоматических компенсационных фазометров. Применяются для- конструирования линии задержки, фазосдвигающих устройств, используемых в регуляторах систем управления, а также при конструировании преобразователей параметров электрических цепей.

Использование. ПФС позволяет получить наиболее высокую точность определения расстояния, разности расстояний, углов и т.п. Фазовые пеленгаторы позволяют осуществить измерение углов с предельно высокой точностью. Фазовые измерения позволяют производить точный зондаж степени зарядки аккумуляторных батарей, работающих на удаленных объектах, например, в ближнем и дальнем космосе. Измерение расхода жидкостей является актуальной задачей при автоматизации технологических процессов. Одним из наиболее эффективных методов решения этих задач является ультразвуковой метод, заключающийся в измерении разности фаз между ультразвуковыми сигналами. Фазовые преобраюватсли позволяют достигать очень высокой чувствительности. Чувствительность при измерении линейных смешений достигает 0,01 мкм.

Отсутствие дискретных ПФС' с хорошими метрологическими и эксплуатационными характеристиками сдерживало развитие цифровых измерительных приборов - компенсационных фазометров, компенсаторов переменного тока, вектормеров.

Большой вклад п разработку преобразователей фазового сдвига внесли С.А.Кравченко, Е.Д.Колтик, О.П.Галахова, Л.Ф.Куликовский, В.Ю.Кнеллер, A.M. Мелик-Шахназароп, Н.М.Вишепчук, А.Ф.Котюк, П.Т.Смирнов, М.К.Чмых, Н.П.Орнатский, Ю.А.Скриппик,

С.М.Маевский, С.С.Кузнецкий, В.Я.Супьян, В.В.Смеляков. Из зарубежных ученых необходимо отметить большие заслуги в области фазовых измерений A.A. Ahmed, D.K. Weaver, S.D. Bedrosian, R.B. Dome, J.H. Park, G.E. Pilil. Большой вклад в развитие образцовых преобразователей фазового сдвига вносят R.S. Turel, D.T. Hess, К.К. Clarke, P.Tobola, J. Velecky, G.N. Stenbakken.

Актуальность работы

На момент начала работы практически отсутствовали преобразователи фазового сдвига с дискретным и поразрядным регулированием и с управлением цифровым кодом, что сдерживало разработку автоматизированных систем поверки фазометрической аппаратуры, автоматических цифровых измерительных приборов - компенсационных фазометров, компенсаторов переменного тока, вектормеров.

Цель работы.

Основная цель работы заключается в создании нового класса цифроуправляемых преобразователей фазового сдвига с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками - фазовращателей, калибраторов фазы (КФ), образцовых преобразователей фазового сдвига, пригодных для использования в составе цифровых автоматизированных систем и цифровых измерительных приборов.

Для достижения цели необходимо было создать ПФС с дискретным и поразрядным регулированием фазового сдвига и высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками, не критичные к частоте питающего напряжения, позволяющие осуществить управление от ЭВМ для использования их в автоматизированных системах, провести исследование разработанных ПФС и аттестацию. Для этого нужно было решить следующие проблемы.

Разработать новые принципы построения ПФС. Основная проблема для решения этой задачи заключалась в необходимости создания цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) для воспроизведении нелинейных зависимостей и построения на их основе ПФС с дискретным и поразрядным регулированием. Необходимо было найти оптимальные технические решения для построения ПФС и исследовать их метрологические характеристики, найти способы построения ПФС с управлением кодовым сигналом, найти принципы построения исключающие или сводящие к минимуму методические погрешности, возникающие при поразрядном регулировании фазового сдвига.

Для расширения области применения ПФС необходимо было снизить дополнительные погрешности, возникающие при отклонении частоты питающего напряжения от номинальной, создать квадратурные устройства, сохраняющие 90-градусный фазовый сдвиг и равенст-

tto модулей напряжений в широком диапазоне частот. Необходимо было создать ПФС, управляемые от ЭВМ через стандартный интерфейс, а также использующие встроенные микроконтроллеры для управления их работой в том числе в составе автоматических систем управления и в автоматических измерительных и поверочных устройствах.

Работа выполнялась в рамках Координационного плана АН СССР по проблеме «Измерительные процессы и системы». Название темы: «Обеспечение единства измерений в измерительно-информационных системах , на основе технических и программных средств» (шифры 321022 и 630097) № гос. per. 01860130410, а также по хозяйственным договорам с Центром метрологии, стандартизации и сертификации республики Башкортостан Госстандарта России, ВНИИЭП министерства приборостроения, средств автоматизации и систем управления СССР (г. Ленинград), Азербайджанским институтом нефти и химии им. Азизбскова (г. Баку).

Методы исследований основаны на теории электрических сигналов и цепей. Использованы математический аппарат теории комплексного переменного, классические разделы математическою анализа, теория специальных функций, булева алгебра. Проверка результатов теоретических исследований проводилась посредством натурных исследований, использования математических и компьютерных моделей.

Научная новизна

Впервые разработан и исследован новый класс преобразователей фазового сдвига с цифровым, дискретным и поразрядным регулированием фазового сдвига. Разработаны, научно обоснованы, исследованы принципы построения, технические решения дискретных фазовращателей, КФ, образцовых преобразователей фазового сдвига. Можно выделить следующие крупные положения.

!. Впервые предложены принципы построения ПФС, фазовращателей, КФ, основанные на аппроксимации функциональных зависимостей фазового сдвига от изменения регулируемой величины отрезками прямых и степенными рядами.

2. Впервые разработан принцип построения дискретных ПФС, основанный на последовательном суммировании двух колебаний с фазовым сдвигом, равным дискретности соответствующего разряда.

3. Исследованы метрологические и технические характеристики впервые предложенных и разработанных ПФС и показана возмож-

ность построения на их основе образцовых преобразователей фазо вого сдвига и рабочих эталонов фазового сдвига.

4. Предложены и изучены способы построения квадратурных уст ройств на базе комплексного использования фазопостоянных и часто тонезависимых цепей.

5. Определены условия использования широкополосных фазораз постных цепей для построения КФ и фазовращателей. Исследовань их частотные характеристики, выполнены математическая и компью терная модели. Экспериментально и теоретически показана возмож ность построения квадратурных устройств с отклонением ± 0,1° о номинального значения при десятикратном изменении частоты.

6. Разработаны технические решения построения КФ, основан ные на аппроксимации гармонических колебаний с помощью ступен чато-синусоидальных напряжений, и применение для этих целе! микроконтроллеров и микроЭВМ. Исследованы их методические по грешности и способы исключения дополнительных погрешностей Показана возможность применения таких устройств в качестве образ новых мер фазового сдвига 1-го разряда.

Достоверность результатов.

Достоверность результатов, полученных при создании ПФС, ос нована на теоретических исследованиях метрологических характер и стик с учетом большого разнообразия влияющих факторов и подтвер ждена как использованием классических методов исследовани (экспериментами с применением цифровых вольтметров постоянног и переменного тока, цифровых фазометров, индикаторов квадратуры' а также применением специальных методик индикации 90-градусног фазового сдвига, основанных на суммировании и вычитании векторе напряжений.

Погрешности воспроизведения зависимостей фазового сдвига с изменения регулируемой величины, методические погрешности, сш занные с аппроксимацией этих зависимостей, были экспсриментальн подтверждены в ряде случаев измерениями их коэффициентов перед; чи на постоянном токе, где используемые приборы имеют более вь со кую точность.

Было проведено моделирование на ЭВМ широкополосной фазе разностной цепи и сравнение с экспериментально полученными р< зультатами. Эти исследования подтвердили достоверность сделаннь выводов.

Реализация ряда схем проведена на элементной базе ЦАП, соде! жащей ОУ, ключи и прецизионные резисторы, в значительной стеги ни по своим метрологическим характеристикам аналогичной извее

ным, благодаря чему реализация на них новых технических решений не вызывает дополнительных погрешностей.

Достоверность полученных результатов подтверждена также аттестацией разработанных КФ в НПО «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева». На представленные приборы были выданы Свидетельства о пригодности их для применения в качестве образцовых средств измерений 1-го и 2-го разряда.

Основные положения, выносимые на защиту

На запилу выносятся принципы построения и технические решения нового класса преобразователей фазового сдвига, не критичных к частоте питающего напряжения, основанные на аппроксимации функциональных зависимостей фазового сдвига от изменения регулируемой величины и поразрядном суммировании. Здесь можно выделить следующие основные крупные положения.

1. Разработанные общие принципы построения дискретных ПФС, использующие:

— аппроксимацию фазового сдвига от изменения регулируемой величины отрезками прямых и степенными рядами;

— последовательное суммирование двух напряжений с фазовым сдвигом, равным величине соответствующего разряда.

2. Технические решения калибраторов фазы, образцовых мер фазового сдвига I! результаты исследования их метрологических характеристик.

3. Разработанные принципы построения квадратурных устройств па основе комплексною использования фазопостоянных и частотоне-зависимых цепей и фазоразноетных цепей.

4. Разработанные технические решения и результаты исследований двухфазных генераторов квазисинусоидальных напряжений со ступенчатой аппроксимацией и их отдельных узлов со встроенными микроконтроллерами и с управлением от внешних ЭВМ.

Практическая значимость работы.

Систематизированы и обобщены схемотехнические решения фазовращателей на базе элементарного делителя напряжения (измерительного преобразователя), что позволило выявить их общие характерце гики и синтезировать новый фазовращатель.

Разработаны способы построения дискретных аналогов синусного и косинусного потенциометров, в которых для увеличения разрядности регулирования функциональной зависимости использованы линейные ЦАП. Это позволило значительно расширить области их применения, в частности, использовать для разработки автоматических

цифровых измерительных приборов и определило общий подход воспроизведению нелинейных зависимостей с помощью ЦАП.

Разработаны и изучены технические решения, реализующие с по мощью ЦАП функциональные зависимости фазового сдвига от изме нения регулируемой величины.

Разработаны и изучены КФ с линейным преобразованием управ ляющего кода в фазовый сдвиг, в котором используется представле ние синусной и косинусной функциональных зависимостей степен ными рядами и техническая реализация этих рядов каскадно вклю ценными ЦАП. Проведенные исследования позволили минимизиро вать погрешности и уже при семи членах разложения получить мето дическую погрешность воспроизведения фазового сдвига, равнут-0,003 град, а методическую погрешность амплитуды - 0,005 %.

Предложен и изучен КФ, выполненный на сумматорах, которы формируют последовательно два напряжения с фазовым сдвигом равным величине соответствующего разряда. Этот КФ позволяет ис ключить методические погрешности, которые возникают при пораз рядном регулировании фазового сдвига.

Построены квадратурные устройства, которые при отклоненш частоты входного напряжения на ±(5 г 10) % сохраняют равенство мо дулей и 90° фазовый сдвиг в заданных пределах (соответственно 0,1 Я и 0,1 0).

Созданы квадратурные устройства с десятикратным перскрытиеь частотного диапазона при погрешности воспроизведения 90 градусного фазового сдвига 0,1-0,2 град. Разработана компьютерна! модель, позволяющая рассчитывать и анализировать эти схемы.

Разработаны схемы и методы построения двухфазных генсраторо! со ступенчатой аппроксимацией гармонических колебаний, которьк используют микроконтроллеры и микроЭВМ для управления их рабо той.

В результате выполнения работы создан ряд КФ для поверки фа зометрической аппаратуры, которые прошли аттестацию в НПС «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» и получили Свидетельства о воз можности их применения в качестве образцовых мер фазового сдвиг; 1-го и 2-го разряда.

Реализация результатов работы.

По результатам работ были изготовлены два КФ (дискретный фа зовращатель № А и № М) по заказ}' Центра стандартизации метрологии и сергификаци республики Башкортостан Госстандарта России Эти КФ были представлены для аттестации в НПО «ВНИИМ им Д.И. Менделеева» и аттестованы в качестве образцовых средств измерений фазового сдвига 1-го разряда и 2-го разряда.

х

По заданию ВНИИЭП Министерства приборостроения, средств автоматизации и систем управления СССР был изготовлен КФ Ф7089. Этот КФ предназначен для автоматической поверки фазометров с управлением от ЭВМ. аттестован в качестве образцовой меры фазового сдвига 1-го разряда и внедрен во ВНИИЭП.

Круговой потенциомстрический фазовращатель (а.с. 280655) внедрен на Верх-Исетском металлургическом заводе Свердловской области в 1976 г. (Письмо от 6.01.78 г. № 233-00-19 Управления по охране прав изобретателей и централизованной выплате вознаграждения Госкомитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий).

Функциональный счетчик (а.с. 1069170) и широкополосное фа-зоразностное квадратурное устройство внедрены в учебный процесс.

Апробация работы.

По теме диссертации сделаны доклады на Межвузовской конференции «Разработка и применение средств информационно-измерительной и вычислительной техники», г. Пенза, 1967 г.; на Всесоюзной конференции по автоматическому контролю и методам электрических измерений, г. Новосибирск, 1966 г.; Межвузовской конференции «Разработка и применение средств информационно-измерительной и вычислительной техники», г. Куйбышев, 1965 г.; на республиканской научно-технической конференции работников нефтегазовой, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности Башкирии, г. Уфа, 1970 г.; Всесоюзном научно-техническом семинаре «Вопросы теории и проектирования аналоговых измерительных преобразователей параметров электрических сигналов и цепей», г. Ульяновск, !97Я г.; на Всесоюзной конференции «Информационно-измерительные системы ИИС-79», г. Ленинград, 1979 г.; на VI Всесоюзной науч.-техн. конференции «Информационно-измерительные системы ИИС-83», г. Куйбышев, 1983 г.; на Всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы метрологического обеспечения научных исследований и учебною процесса г. вузах», г. Ленинград, 1984 г.; па конференции с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления «Датчик-96», М.: МГИЭМ,

1996 г.; на научно-практической конференции по программам Госкомвуза России, г. Уфа, 1997 г.; Российской научно-технической конференции «Радио и волоконно-оптическая связь», г. Воронеж,

1997 г.; на конференции с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления «Датчик-97», М.: МГИЭМ, 1997 г.

Публикации. По теме диссертации опубликована 61 работа, средк которых 1 монография, учебное пособие, 32 статьи, 14 авторских свидетельств.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, приложения, текст изложен на 279 страницах, библ. 301 наименование.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Содержит обоснование актуальности рассматриваемых £ диссертации проблем, основные научные положения, которые выносятся на защиту, краткое изложение диссертации по главам.

В первой главе рассмотрены структуры известных фазовращателей

Основным элементом схем многополюсников, представляющих фазовращатели, является делитель напряжения (измерительный преобразователь) (рис. 1), плечи которого есть в общем случае комплексные сопротивления Z^ и 7.2-

4

-1

12 Н Делитель напряжения (рис.!) пред-

ставляет собой простейший фазовращатель, для которого напряжение выхода равно

О = йиАп = Я,/!,^'^9'1 ~ Не'9. Делитель напряжения характеризуется коэффициентом А ¡2, являющимся функцией сопротивления плеч. Здесь <рц - начальная фаза напряжения входа, <рк - аргумент коэффициента передачи А & 0 # Единственный способ регулирования фа-Рис 1. зового сдвига <р напряжения выхода за-

ключается в изменении аргумента щ коэффициента А¡2, что предопределяет использование комплексного делителя .

Многополюсники, образованные делителями, входные зажимы которых соединены параллельно, соответствуют широко распространенным мостовым фазовращателям, схемы которых отличаются большим разнообразием используемых регулирующих элементов. Каскадное соединение п комплексных делителей приводит к фазовращателям, известным как линии задержки.

Фазовращатели, использующие линии задержки, питаются от однофазного напряжения и могут работать только па фиксированной частоте. При изменении частоты должна производиться новая градуировка. Всем линиям задержки свойственно непостоянство модуля напряжения выхода при изменении фазового сдвига путем изменения количества включенных делителей.

Дискретный фазовращатель, составленный из LC и RC линии задержки, фазовый сдвиг в котором изменяется поразрядно тремя коммутаторами, использовался как главный эталонный прибор для измерения сдвига фаз от 0 до 180° на частоте 400 Гц в Национальном бюро стандартов США.

Эти три разновидности многополюсников образуют первую группу схем фазовращателей. Первая группа схем фазовращателей отличается тем, что многополюсники, их представляющие, имеют один вход. Таким образом, к совокупности делителей напряжения, образующих многополюсник, подводится лишь одно напряжение.

Общность их свойств заключается в том, что регулирование фазового сдвига производится изменением активной или реактивной составляющих комплексных коэффициентов делителей, либо изменением числа ^включенных каскадно делителей.

Первой группе фазовращателей свойственна принципиальная зависимость фазового сдвига от частоты.

Фазовращатели могут быть образованы и делителями напряжения, выходы которых соединены последовательно. Каждая смежная пара делителей питается синусоидальными напряжениями одинаковой частоты, отличающимися в общем случае но модулю и фазе.

Наличие двух питающих напряжений, сдвинутых относительно друг друга по фазе, позволяет формировать комплексное напряжение выхода, имеющее заданные модупь и аргумент, на делителях напряжения, характеризуемых вещественным коэффициентом передачи. К этой разновидности относятся, в частности, синусно-косинусные по-тенциометрические фазовращатели.

Многополюсники, образованные п делителями напряжения (измерительными iфсо6р:гюпата»'м!t), выходы которых соединены nupajLi'wibiio, реализуют еще одну разновидность фазовращателей. К этой разновидности относятся, в частности, емкостные фазовращатели.

Схема многополюсника, образованного п делителями напряжения, входные цепи которых соединены последовательно, образуют последнюю разновидность фазовращателей. Делители питаются синусоидальными напряжениями одинаковой частоты, как правило, имеющими равные модули и отличающимися по фазе на 90°. Сюда могуг быIь ошесены потенциометричсские фазовращатели.

Последние три разновидности фазовращателей образуют втор; группу, которая характеризуется питанием от источника многофг ного напряжения.

Во всех трех схемах фазовращателей второй группы напряжен выхода формируется путем суммирования с определенными коэфф циентами сдвинутых по фазе относительно друг друга питающих и пряжений. Важным свойством фазовращателей является возможное выполнения делителей напряжения из однородных сопротивлен (конденсаторов, резисторов и т.д.). Коэффициенты делителей поде ных фазовращателей представляют собой частотонезависимые вещее венные. числа. Поэтому фазовращатели второй группы работают диапазоне частот, в котором поддерживается равенство модулей квадратура напряжений питания.

Приведенная классификация фазовращателей учитывает их схе ную общность и общность свойств и позволила выявить новый 4 зовращатель, соответствующий схеме рис. 1.5 [17]. Результаты, изл женные в гл.1, опубликованы в [4, 16].

Во второй главе рассмотрены способы построения, проектиро! ние, метрологические характеристики синусно-косинусных поте циометрических КФ с дискретным и поразрядным регулировани фазового сдвига, а также КФ, построенные на основе преобразоват лей на ОУ и компенсаторах Уманцева.

Синусно-косинусные потенциометрические КФ выполнены дискретных аналогах синусного и косинусного потенциометров. Да кретный аналог синусного потенциометра приведен на рис.2.

С помощью сдвоенного ключа П линейный многоразрядш ЦАП подключается к резисторам Rj¡ и R2j и образует преобразор тель, моделирующий зависимость sincp в интервале от i?i/2n (i+l)jt/2n. Здесь jt/2n - интервал аппроксимации функциональной : висимости sincp, i=0,l,2,...,n-l (i-номер интервала аппроксимации, число отрезков аппроксимации зависимости sincp в интервале от О я/2). В качестве многоразрядного линейного ЦАП можно использ вать любой ЦАП с постоянным входным сопротивлением Ro- Напр мер ЦАП, использующий резистивную матрицу R-2R и управляем! двоичным кодом.

Напряжения в схеме рис.2 будут распределяться следующим обр

зом:

ш г ,, ■ i Я ,, (Í + JM

U„ = и sin —, (/,, = U sin1----,

2п 2п

где U- напряжение, подводимое к дискретному аналогу синусного л

тенциометра.

С помощью линейного ЦАП выходное напряжение С/вых изменя-

,, ■ /л" „ 0 + ,

стся от величины Ь-мп— до Оаш--—, приближенно воспроизводя

2п 2п

в ¡-ом интервале зависимость $\п<р необходимым числом разрядов.

Естественно, что при таком построении дискретного аналога синусного потенциометра последний имеет методическую

^R» tWi ^fV,

_____ 2n

n

Usin-

pj (k kA.

#/л

цлп

Рис.2.

югрешиость, вызванную линейной аппроксимацией зависимости s\n<p i интервале [т[2п, (i+í)jt/2nj. Эта погрешноегь определяется выражс-шем

А - sin (р - уи,

где уц - уравнение прямой, аппроксимирующей зависимость sintp i интервале [ijt/2n, (i+1)я/2п]:

(i л-1)л: tn(p л (2í + 1)tt . 71

У и =(i + l)sin~-isin-2п

2п

- + cos-

71

4п

Здесь 'т/2п < ф < ] )тг/2п.

Па рис.3, приведена зависимость методической погрешности вос-роизведения зависимости хш<р внутри интервала аппроксимации (Д) ля п=9. В этом случае старший разряд регулирования аргумента ф оставляет 10°. Для удобства введена новая неременная к из соотно-!ения

<р = (с^к)-л/2п. Здесь 0 <к < 1.

Наибольший интерес представляет максимальная погрешность, случаемая при аппроксимации последнего интервала зависимости п<р. В табл.1 приведены максимальные величины погрешности в за-геимости от числа интервалов аппроксимации.

Так, в случае п=9, она составляет величину менее 0,4 %, что мост быть приемлемо для многих практических применений.

На рис.4 приведена принципиальная схема КФ с поразрядным регулированием фазового сдвига.

Таблица 1

и 3 9 18 36 72

Д, % 3,29 0,38 0,09 0,02 0,006

I

Игп-1

т

ЦАП

Ум,

й.

я

-о

гО-

в

Я0

ТЯт-г Ит-!

г И'ш-!

а

ь1

& й,

#/Л ЦАП

А1

ие

I

1Р

Рис.4.

В КФ для формирования напряжения выхода реализуется соотношение

Ь = исо.ч<р + ^и ¡¡икр - иеИ'. (I)

На входы устройства подводятся два синусоидальных напряжения, равных по модулю и сдвинутых по фазе на 90°. Эти напряжения подаются на ЦАП, которые с допустимой погрешностью воспроизводят коэффициенты Х=сощ и у=ят<р. В устройстве используется линейная аппроксимация функциональных зависимостей сояср и 57пер через

равные интервал],i с помощью дискретных аналогов синусного и косинусного потенциометров.

Эта схема имеет недостаток, который заключается в изменении ее входного сопротивления по каждому входу при регулировании первого знака отсчета фазы. Изменение сопротивления входа КФ затрудняет согласование его с входным квадратурным устройством.

В диссертации рассмотрен принцип построения КФ с постоянными входными сопротивлениями. В этом случае можно использовать мостовое квадратурное устройство, которое требует для нормальной работы постоянства нагрузки. В работе приведена принципиальная схема КФ с мостовым фазосдвигающим устройством и рассмотрены вопросы его проектирования.

Рассмотрены погрешности модуля и фазы выходного напряжения, обусловленные аппроксимацией функций sincp и costp - методические погрешности, для которых получены соответственно выражения

7м = _ 2 (k-k')sirt' — и Гр = (1 - к) sin — -ks¡n(l~k)*.

4п 2п п

Из этих выражений следует важный вывод, что погрешности ум и Г,р не зависят от номера интервала аппроксимации и определяются только его величиной.

Погрешность ум обращается в ноль на концах интервала аппроксимации. В середине интервала эта погрешность максимальна и равна

1 и

Умтах~—х'"2— • При аппроксимации через 10 град, максимальная

2 4п

погрешность воспроизведения модуля составит 0,4 %.

Погрешность Г„ обращается в ноль на концах и в середине интервала и при аппроксимации через 10 град. rvmax= 0,5 мин.

Изучены зависимости погрешностей амплитуды и фазы от неточности 90° сдвига между квадратурными напряжениями на входах КФ. Показано, что если погрешность квадратуры равна 0, то максимальная погрешность воспроизведения модуля, равна sin О

УмОтах~-~~ , погрешность воспроизведения фазы не превосходит в

первом квадранте величины 0.

Погрешности амплитуды и фазы на выходах КФ обуславливается также неравенством заданной величине U модулей квадратурных составляющих.

Пусть относительные погрешности синфазной и квадратурной составляющих равны соответственно ущ и у у2- Тогда, пренебрегая величинами второго порядка малости, найдем, что погрешность модуля выходного напряжения равна

YmU = YUÍ c°s2<P + ru2 sin2<p .

Из последнего выражения следует, что наибольшая величина погрешности модуля выходного напряжения уму не превосходит наибольшей из погрешностей yui и YU2.

Максимальное значение погрешности фазы составляет

Г,Umax = arctg Ги' " 7U1 .

2 + Y VI + Гиг

В п. 2.4 рассмотрены преобразователи, выполненные на ОУ, которые дискретно и поразрядно моделируют функциональные зависимости costp и sintp в соответствии с кодом фазового сдвига. Выходное напряжение формируется в соответствии с выражением (1). Приведены соотношения для расчета его элементов и коэффициентов передачи. Изучено влияние параметров преобразователей на погрешности воспроизведения модуля и фазы выходного напряжения, найдены оптимальные соотношения.

В п.2.5 показаны способы построения дискретных КФ с поразрядным регулированием фазового сдвига и низкоомным выходом на базе схемы компенсатора В.С. Уманцева. Изучены две оригинальные схемы. В диссертации приведены соотношения для расчета элементов преобразователей. Проведен анализ погрешностей КФ. Погрешности модуля и фазы выходного напряжения обусловлены неточностью квадратуры питающих напряжений и отклонением их модулей от номинального значения, неточностью аппроксимации синусно-косинусной зависимости конечным числом отрезков. Эти погрешности присущи всем КФ, использующим аппроксимацию синусной и косинусной зависимостей и рассмотрены выше. КФ с низкоомным выходом свойственны и специфические погрешности, которые вызваны тем обстоятельством, что токи, проходящие через все цепи, изменяются при изменении фазового сдвига. Приведены расчетные соотношения, таблицы для оценки этих погрешностей. Показано, что максимальная погрешность воспроизведения фазового сдвига равна 2,45(r/R), где R - параметр КФ, г - сопротивление выходного делителя.

Оценка всех погрешностей КФ, рассмотренных в главе 2, позволяет сделать вывод, что они пригодны для построения образцовых мер фазового сдвига 1-го разряда.

В этой главе приведена обобщенная математическая модель и рассмотрены вопросы устойчивости КФ.

Основные результаты, изложенные в гл.2, опубликованы в [6, 7, 9, 10, 14, 18, 27, 35, 56], новизна построения КФ подтверждена рядом изобретений [12, 13, 15].

В третьей главе "рассмотрены принципы построения, техниче-:кие решения, изучены метрологические характеристики дискретных потенциометрических и мостовых КФ с поразрядным регулированием $азы. Для потенциометрических фазовращателей погрешность воспроизведения фазового сдвига, вызываемая нелинейностью зависимости между углом поворота ползунка и величиной фазового сдвига, достигает ±4°. Существенно снизить погрешность воспроизведения (>азы и исключить скользящий контакт позволяет схема потенциомет--»ического КФ, упрощенная схема которой приведена на рис.5. В этой зхеме потенциометр заменяется цепью, состоящей из двух постоянных сопротивлений Л,- и Л/,, между которыми включен ЦАП (на рис.5 - потенциометр). Входное сопротивление ЦАП остается постоянным

три всех переключениях и равным В.р.

, _

При изменении первого знака отсчета фазы изменяются величины постоянных сопротивлений Л,- и и тем самым производится аппроксимация через равные интервалы (например, через 5°) функциональной зависимости фазового сдвига (р от изменения регулируемой ве-рис 5 личины. Внутри интервала аппроксима-

ции регулирование фазового сдвига осу-цествляется линейно с помощью ЦАП.

Фазовый сдвиг между напряжениями (У, и и вых будет опреде-[яться из соотношения:

_ ^ + (1-0)11 !

ю- агс)2--------здесь величина а——.

Я,'+аЛр /0

Постоянные сопротивления и К/, коммутируемые переключа-елем первого знака отсчета и определяющие начало и конец интер-

;ала аппроксимации, должны определяться при этом как

171.. (I + 1)к , _ , , 17Г ,

/?_ =---2п -2п- ¡г = -'' ----2п__

(1+1)71 1П (1 + 1)7Г 17Г

ОГ -IX (8 -(£

2п 2п 2п 2п

дсп- число интервалов аппроксимации; г = 0, 1, 2,..., п-1; — - на-

2 п

ало интервала регулирования фазы коммутаторами ЦАП; ^+ .

2п

онец интервала регулирования фазы.

Величина методической погрешности в каждом интервале определяется разностью между истинным значением фазового сдвига и значением, соответствующим прямой, аппроксимирующей зависи-1п (I + !)к

мость в интервале ношение:

А <р

2п 2п

. Для этой погрешности получено соот-

, агс%-_—_£. - (¡-а+ 1).

П:+аП„ 2п

В табл. 2 приведены значения методической погрешности в середине каждого интервала для шага аппроксимации 5° (п=18) .

Таблица 2

Номер интервала 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Д <р,мш1 6 5 4 3,2 3. 2,2 1,5 1 0,3

Номер интервала 10 11 12 13 14 15 16 17 18

!\<р у/1иш -0,3 -1 -1,5 -2,2 -3 -3,2 -4 -5 -6

Как следует из табл.2 методическая погрешность КФ снижается более чем на порядок по сравнению с обычной схемой. КФ сравнительно прост, более надежен, обладает высокими метрологическими характеристиками и может с успехом использоваться в ряде областей информационно-измерительной техники.

Рассмотрим схему потенциометрического КФ (рис. 6), в которой с помощью блока А регулируется фазовый сдвиг, а резисторы 112 вве-

Рис. 6.

ОУ с регулируемой обратной связью служит для коррекции амплитудной погрешности (блок В).

Фазовый сдвиг напряжения иг определяется выражением

а 1 + (1-а)у, / -а 1 + ау,

<Р, = <1ГС1£

(2)

\

(3)

М ------------------------------- , - _______

где а погрешность воспроизведения фазового сдвига из-за

нелинейности зависимости (2) составляет

па

Т'

Функциональная зависимость (3) обращается в нуль в пяти точках п интервале 0 < а < 1 (рис.7).

Дф2(а), град

Л<р2(сс) = <р2(а)-

.0

0.4

1.0 о-

1'ис.7. Графики зависимости Л(?2(а) при у|=0.5551 (сплошная линия), У!=0.5540 (коротким пунктир), 71=0.5562 (длинный пунктир).

Анализ зависимости (3) показал, что при выборе коэффициента 71=0,5551 максимальное значение Л<р^а) составляет ±0,031°.

При выбранном значении у1==0,5551 отклонение амплитуды составляет 20 %. Для уменьшения этой погрешности в ОУ введена обратная связь но инвертирующему входу (блок В). Общий коэффициент передачи КФ

/-1 -а(1-а)у2 [

/!,=---

где у 2 =

/ + 2а(I - а)у,

П4

¡15

4(1 - а)'(1 + 2а2у\) + 2ау,(! -а) + а2

Отклонение модуля напряжения 0ВЫХ от номинального значения можно представить в виде

АЛ4 = А4(а)-1.

Минимизировав функциональную зависимость ДА4 в интервале 0 < а < 1, определим величину у2, при которой получается наименьшее отклонение выходного напряжения от номинального значения. В ре-

зультате минимизации получаем, что при у2=1>6383 отклонение модуля составляет около 0,33 %.

Использовать в полной мере достоинства КФ, приведенного на рис. 6, можно только в схеме с дискретным регулированием фазового сдвига, приведенной в диссертации, в которой исключены все скользящие контакты и обеспечена высокая точность регулирования и отсчета фазового сдвига.

В п.п.3.3 и 3.4 рассмотрены способы построения дискретных КФ с поразрядным регулированием фазового сдвига на базе мостовых фазовращателей, приведены соотношения для расчета элементов схем и результаты исследования их метрологических характеристик. Основные результаты опубликованы в [18, 24, 28, 32, 34], новизна построения КФ подтверждена изобретением [19].

Четвертая глава посвящена рассмотрению КФ, управляемых цифровым кодом. Они должны обеспечивать линейное преобразование управляющего кода в фазовый сдвиг выходного напряжения.

В КФ, структурная схема которого представлена на рис.8, выходное напряжение является суммой двух синусоидальных напряжений 0^ и 0с, сдвинутых одно относительно другого на 90°. Они формируются из входного синусоидального напряжения й^ цепью каскад-

но включенных цифроаналоговых преобразователей 11ДП1 - ЦАП7 и инвертирующими сумматорами А1 - А4.

N

0

Ц.Ы1

1

Рис. 8

Передаточная функция /-го ЦАП Я, (б) выражается линейной зависимостью

Н,-(0) = Ь,ав, где - масштаб преобразования /-го ЦАП;

в = N/Nmкl; а = я/2; /V и ^пх - текущее и максимальное значения управляющего кода. Передаточную функцию /г каскадно включенных ДАП с достаточной степенью точности можно записать в виде

. .=/ .=/ На вход первого ЦАП, являющегося входом КФ, с внешнего генератора поступает синусоидальное напряжение 0вх. Из него цепыо

каскадно включенных ЦАП формируются напряжения, амплитуды (/„ которых связаны с управляющим кодом соотношением

п вх /Л / вх п'

п

где ап = I [/>,; х ~ ав.

Напряжение О формируется из входного напряжения и напряжений с выходов ЦАП с четными номерами, а выходные напряжения нечетных ЦАП используются для формирования напряжения 0 . Полагая весовые коэффициенты суммируемых напряжений 0п и 0^

равными единице и учитывая дополнительное инвертирование соответствующих напряжений сумматорами А1 и АЗ, зависимости амплитуды напряжений и и йс от управляющего кода можно представить

в виде

= - и0Х(а,х- а^+а^- а-рс7) = 1/ехк2;

ис = ~ иох(1- а^+а^- ав>= иахк,.

Чтобы получить фазовый сдвиг 90° между напряжениями 0 и

0^одно из них, и , подается на вход фазовращателя ФВ, и результате чего на входы сумматора А5 поступают напряжения ис и ]1}5. Выходное напряжение сумматора А5, являющееся выходным напряжением КФ, описывается соотношением

0 = к,{) . + ¡к~1Г . вых I ах ' 2 и

Разность между расчетными и заданными значениями фазы и амплитуды выходного напряжения будет тем меньше, чем точнее коэффициенты к/ и к-2 моделируют функциональные зависимости со.чх и

Л///Х.

Когда заданы число членов ряда и диапазон изменения переменной х, задача минимизации погрешности моделирования сводится к точному вычислению коэффициентов при суммирующихся членах ряда.

В табл. 3 приведены значения коэффициентов а,„ рассчитанные для случая, когда высшая степень х и число ЦАП в схеме КФ равно семи, а также погрешности воспроизведения модуля и фазы. Графики этих зависимостей приведены на рис. 9 (а, б).

Таблица 3

Коэффициенты б ивых, %

а1 = 1,000 а2 = 0,49999

о? = 0,16667 а4 = 0,04164 0,005 0,003

«5 = 0,00833 Об = 0,00132

а7 ~ 0,00019

Анализ полученных результатов показывает, что уже при использовании шести ЦАП можно построить КФ с высокими метрологическими характеристиками.

м:

0.04 0.03 0.02 0.01 0 ■0.01 -0.02 •0.03 -0.04 -0.05 -0.06

Рис. 9.3ависимости погрешности фазового сдвига Дер (а) и модуля б£/„ых напряжения выхода (б)

В п.4.2 рассмотрен прецизионный КФ, в котором производится последовательное суммирование с определенными коэффициентами двух сдвинутых относительно друг друга напряжений, приведены рас-

5и>ьа,%

т=7

ПР&

\—ш=5

V

четные соотношения, анализ его метрологических характеристик, а также анализ влияния изменений параметров схемы на метрологические характеристики.

Основные результаты опубликованы в [37, 38, 39, 43, 47|, новизна подтверждена изобретениями [30, 31, 41].

В пятой главе рассмотрены квадратурные устройства, предназначенные для использования в КФ. Квадратурные устройства должны иметь на выходах два напряжения сдвинутые на 90° и равные по модулю. Оба эти условия могут быть удовлетворены только на одной частоте. Это обстоятельство приводит к дополнительным погрешностям при отклонении частоты питающего напряжения от номинальной. Так, если используется мостовое фазосдвигающее устройство, то при отклонении частоты всего на 1 % погрешность составит более 0,5 град.

Не зависящий от частоты сдвиг фаз между двумя напряжениями можно получить с помощью двух фазосдвигающих устройств, фаза каждого из которых меняется по логарифмическому закону, тогда их разность не будет зависеть от частоты. В диссертации показано, что напряжение выхода мостового фазосдвигаюшсго устройства в первом приближении отвечает этому условию. В работе предложено использовать в качестве квадратурного устройства две мостовые схемы. Показано, что погрешность квадратуры уменьшается при отклонении частоты на 1 % до величины 0,003 град.

Существуют фазосдвитающие цени 90-град. фазового сдвига, у которых при изменении частоты изменяется модуль выходного напряжения, а фазовый сдвиг остается постоянным. Эти цепи называют фазопостоянными. Имеются также фазосдвигающие цепи, у которых при изменении частоты модули напряжений остаются равными, но изменяется фазовый сдвиг. Эти устройства называются частотопеза-висимыми.

К фазопостоянным цепям относятся интегрирующий усилитель, у которого модуль выходного напряжения обратно пропорционален частоте, и воздушный трансформатор, у которого выходное напряжение. прямо пропорционально час/юте. В диссертации рассмотрено квадратурное устройство, использующее суммарное напряжение с выходов интегрирующего усилителя и воздушного трансформатора. Показано, что в некотором диапазоне частот Дсо модуль выходного напряжения не выходит за допустимые пределы. Так при отклонении частоты на ±20 % отклонение модуля составляет всего 0,5 %.

Следующий вариант построения квадратурного устройства основан на перемножении модулей напряжений с выходов интегрирующего усилителя и воздушного трансформатора с помощью аналото-

вого множительного устройства. В этом случае удается получить постоянство модуля в широком диапазоне частот с погрешностью, определяемой только множительным устройством.

Значительно расширить частотный диапазон КФ позволяет построение квадратурных устройств на основе фазоразностных цепей.

Рассмотрим широкополосное квадратурное устройство, не имеющее перестраиваемых элементов.

В квадратурном устройстве (рис.10) используются два четырехполюсника (I), позволяющих получить в заданном диапазоне частот напряжения и, и 02 одинаковой и неизменной амплитуды и с разностью фаз, равной 90°. Нагрузкой квадратурного устройства являются

ЦАП(Н), имеющие постоянное входное сопротивление .

2

ЦАП реализуют синусно-косинусные функциональные зависимости и позволяют изменять фазовый сдвиг выходного сигнала в пределах одного квадранта, определяемого положениями векторов напряжений О, и 02, с дискретностью 0,1°. Выходное напряжение формируется сумматором.

Модули напряжений на выходах квадратурного устройства 0] и 02 не зависят от частоты, а разность фаз между ними имеет чебышев-ский характер приближения к 90° в широкой полосе частот при заданной погрешности фазового сдвига.

Рис. 10.

Расчет фазоразностной цепи производился на диапазон частот 110 кГц при допустимом отклонении квадратуры от номинального значения 0,1°. Сопротивление нагрузки фазоразностной цепи равное входному сопротивлению ЦАП, составляет 6000 Ом. Емкость нагруз-

ки С о выбирается так, чтобы на средней частоте fo рабочего диапазона _

выполнялось условие

С --J— ____° " 2*ГвЯо '

где fo = \lj~min ' fptax . а fmin Kfmax - граничные частоты рабочего диапазона. Для данного случая С0=8372 пФ.

Коэффициенты а, Ь, с, d и е показывают, во сколько раз сопротивление фазоразностной схемы больше Rg, а емкость меньше Cq. Рассчитанные величины приведены в табл. 4.

Таблица 4

Обозначение коэффициента а b d е с

Значение коэффициента 4,31737 0,18038 1,30265 0,55682 0,83902

Резисторы и конденсаторы двухфазного генератора подобраны с погрешностью, не превышающей ±0,1 %.

Результаты измерений показали, что погрешность поддержания равенства модулей квадратурных напряжений во всем диапазоне частот не превосходила 0,2 %. Отклонения фазовых сдвигов от 90° в диапазоне частот 1-10 кГц не превосходили 0,2°.

Результаты эксперимента, приведенные на рис.11, показывают, что характер этой зависимости близок к теоретической.

Для более подробного изучения характеристик широкополосного квадратурного устройства была разработана математическая и компьютерная модель, позволяющая проследить за поведением от-

клонения разности фаз выходных напряжений от 90° и разности их модулей в зависимости от допусков на изготовление элементов схемы. Расчёт элементов схемы производился с помощью метода контурных токов.

В п. 5.6 рассмотрено широкополосное квадратурное устройство, выполненное на основе фазоразностных цепей и использующее фазовые контуры 1-го порядка на ОУ.

Материалы главы опубликованы [3, 5, 11, 21, 29, 40, 59].

В шестой главе рассмотрены КФ, выполненные на основе двухфазных генераторов со ступенчатой аппроксимацией' гармонических колебаний и широким использованием элементов и узлов вычислительной техники, включая микропроцессоры и микроЭВМ.

Рассмотрим метод, основанный на формировании трех ступенчато-синусоидальных напряжений, снимаемых с выходов одноименных ЦАП, одно из которых U¡¡ (а) является опорным, a фазовые сдвиги других U¡2 (а) и U¡3 (а) изменяются таким образом, что разность фаз между ними остается постоянной. Эти напряжения суммируются с весовыми коэффициентами, определяющими младшие разряды фазового сдвига.

Каналы опорной и переменной фазы выполнены по идентичным схемам и содержат реверсивный счетчик СЧ, источник опорных напряжений ИОН, соединенный с аналоговым входом ЦАП, на выходе которого формируется ступенчато-синусоидальное напряжение

U¡(a) - Uon sin (Aa.i),

где /=0,1,2,..., N-l; U¡ (а) - напряжение /-ой ступени; Uan - амплитуда опорного напряжения; Aa=a).At=2x/N=10° - шаг квантования; N=36 -число ступеней за период формируемой синусоиды.

При формировании ступенчато-синусоидальных напряжений счетчик преобразует импульсную последовательность, поступающую с выхода генератора тактовых импульсов, в параллельный нарастающе-убывающий код, и ЦАП преобразует параллельный код в амплитуду напряжения. За один цикл работы счетчика формируется положительный {отрицательный) полупериод ступенчато-синусоидального напряжения, после чего происходит изменение знака опорного напряжения, и за время следующего цикла работы счетчика формируется отрицательный (положительный) полупериод. Изменение знака опорного напряжения осуществляется сигналом, определяющим конец цикла и поступающим на управляющий вход источника опорных напряжений с выхода счетчика.

Разноси, фаз между напряжениями на выходах второго и третьего каналов постоянна и равна шагу квантования Ла = 10°.

Разность фаз между напряжениями на выходах первого и второго каналов может измениться на любое значение, кратное шагу квантования. Напряжения второго и третьего каналов суммируются с определенными коэффициентами в двух сумматорах, позволяют получить еще один разряд регулирования фазового сдвига и вновь образуют два напряжения с фазовым сдвигом, равным дискретности второго разряда. Полученные напряжения суммируются в третьем сумматоре с коэффициентами а3=1-к и где к - коэффициент, изменяющийся по линейному закону с заданной дискретностью от 0 до 1. Это приводит к появлению методической погреишости

где цг = 0,1&а.

Дифференцируя последнее выражение, находим, что А<р принимает максимальное значение при

Подставляя сюда получаем, что методическая погреш-

ность фазового сдвига достигает максимума при £[=0,21 и /с2=0,79 и равна г19>|МЗС=(0>488х10-5)0.

Суммирование с коэффициентами, изменяющимися по линейному закону, приводит к появлению амплитудной погрешности. При ^0,5 амплитудная погрешность достигает максимума:

При шаге квантования Ла — 10° имеем утах — 4х10"4 %.

Таким образом, рассмотренный КФ имеет малые методические погрешности. Его существенные достоинства - высокая технологичность при изготовлении и минимальное количество операций, связанных с ручной настройкой при эксплуатации.

В п. 6.2 описаны цифровой генератор квазисинусоидальных колебаний и оригинальный функциональный счетчик. Генератор осуществляет ступенчатую ' аппроксимацию синусоидального сигнала. Функциональный счетчик за один цикл работы позволяет получить линейно нарастающий и линейно убывающий цифровой код и управляет работой ЦАП.

А<р = агс1%

(¡-к) .\infkyy) + к ып[( к-1)у] (I - к)со$( кц/) + к сох [(к -1)у]'

В п. 6.3 приводится КФ, выполненный в стандарте КАМАК по типу цифрового двухфазного генератора. КФ осуществляет формирование двух напряжений с регулируемым фазовым сдвигом и предназначен для поверки электронных фазометров и прецизионных двухфазных генераторов. Работой КФ управляет микроЭВМ через интерфейсную систему КАМАК. Основные технические характеристики (амплитуда, форма и фазовый сдвиг выходного сигнала) определяются управляющей программой микроЭВМ. Такой подход позволяет собрать КФ с гибко перестраиваемыми характеристиками из набора стандартных элементов.

П.п. 6.4, 6.5 посвящены двухканальному КФ со ступенчатой аппроксимацией синусоидального сигнала и встроенным микроконтроллером. КФ может использоваться для генерирования двух напряжений с заданным фазовым сдвигом и служит для аттестации фазоиз-мерительных приборов.

Функциональная схема цифрового КФ, управляемого встроенным программируемым микроконтроллером, приведена на рис.12.

-1 ^г

БКиД -г-? ПМК —шдг —э сч

п

■Э ЮП1 —5 ЦАП1 —5 Ф1

* БОШ —Э ЦАП2 —Э Ф2

>иг

Рис. 12.

Устройство работает следующим образом. Информация о разности фаз <р и частоте выходного сигнала ю с блока клавиатуры и дисплея (БКиД) вводится в программируемый микроконтроллер (ПМК). В соответствии с программой ПМК считывает из постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) прибора Означений функций

У Г Ч'(а>0 и У2= Ч'(со1+(р) , где N - число дискретных значений функции, необходимых для аппроксимации одного периода колебаний с заданной величиной коэффициента нелинейных искажений.

Для получения выходного сигнала синусоидальной формы ПЗУ прибора содержит табличные значения функций У^'та, 0<а<я/2.

Кривые выходных напряжений при ступенчатой аппроксимации изображены на рис. 13. Здесь показаны и¡=ит$иш(, и2=итш(ай+<р) -идеальные синусоиды выходных напряжений с амплитудами и,п, частотой со и разностью фаз <р. На рис. 13 приведены также зависимости

и =l]msin--i и и ,=umsirA—i + <p\, h N 21 \N J

представляющие ступенчатую аппроксимацию синусоидальных сигналов uj и ii2 через равные интервалы 2k/N. Здесь i=0,l,2,...,N-l.

Программируемый микроконтроллер считывает из ПЗУ значения функций

и записывает последовательно в первый и второй блоки оперативной памяти (БОП1 и БОШ) соответственно.

Затем ПМК выдает код частоты на управляющий вход широкодиапазонного генератора (ШДГ), частота которого равна /'-/■Лг, где /=а>/2к. Тактовая частота /•' поступает на счетчик (СЧ), формирующий адреса первого и второго блоков оперативной памяти. На выходах ■лих блоков будут присутствовать изменяющиеся во времени коды функций У] и У2, которые поступают соответственно на входы циф-роаналоговых преобразователей ЦАП1 и ЦАП2. На выходах ЦАП формируются два аппроксимированных ступенчато-синусоидальных напряжения. Первой из высших гармоник будет гармоника порядка N-1. Коэффициент нелинейных искажений определяется выражением

к„ = Из этих напряжений фильтрами нижних частот Ф1 и Ф2,

состоящими из простых ЯС-цепей, выделяются основные гармоники, которые поступают на выходы КФ.

При N-36, когда шаг квантования равен 10°, ближайшая из высших гармоник будет 35, что существенно снижает требования к фильтрам Ф1 и Ф2.

В работе рассмотрен также способ коррекции погрешностей, вызванных внешними влияющими факторами.

Содержание главы изложено в [47, 48, 51, 52, 54, 55, 57], новизн; предложенных методов подтверждена изобретениями [42, 45, 49, 50].

Основные результаты работы и выводы. Главным итогом дис сертационной работы является то, что в результате проведенных исследований разработаны принципы построения, осуществлено развитие теории, исследование метрологических характеристик и создание нового класса преобразователей фазового сдвига - дискретных КФ t поразрядным регулированием фазового сдвига, фазовращателей и образцовых мер фазового сдвига.

В работе получены следующие основные результаты:

1. Обобщены и систематизированы структуры известных фазовращателей. Все известные фазовращатели представлены шестью схемами включения комплексных делителей напряжения (измерительны? преобразователей). Использованный подход позволил синтезироватт новую схему фазовращателя.

2. Впервые предложены дискретные аналоги синусного и косинусного потенциометров, в которых осуществляется линейная аппроксимация синусной и косинусной функциональных зависимостей через равные интервалы по фазе, изучены погрешности воспроизведения синусной и косинусной зависимостей. Разработаны принципы построения дискретных КФ с поразрядным регулированием фазового сдвига на основе дискретных аналогов синусного и косинусного потенциометров.

3. Проведено исследование методических погрешностей воспроизведения модуля и фазового сдвига выходного напряжения КФ, вызванных аппроксимацией синусной и косинусной зависимостей. Установлено, что эти погрешности не зависят от номера интервала регулирования фазового сдвига и определяются только его величиной. На основе интегральной оценки погрешностей дискретного синусно-косинусного КФ с поразрядным регулированием фазового сдвига показано, что он может быть использован для построения образцовых ПФС с цифровым управлением и рабочих эталонов в соответствии с «Государственной поверочной схемой для средств измерения угла фазового сдвига между двумя электрическими напряжениями в диапазоне частот МО"3 -г2-107 Гц (МИ-1949-88)».

4. Предложены технические решения, проведен анализ работы, выполнено исследование метрологических характеристик, определены максимальные величины погрешностей воспроизведения модуля и фазового сдвига дискретных КФ, использующих преобразователи, выполненные на ОУ с обратной связью и преобразователи на базе схемы компенсатора B.C. Уманцева. Эти КФ используют нредложен-

ный в работе принцип аппроксимации функциональной зависимости фазового сдвига от изменения регулируемой величины.

5. Предложены технические решения и аналитическое описание дискретных потснциометрических и мостовых ПФС с поразрядным регулированием фазового сдвига. Исследованы метрологические характеристики, обосновано введение коррекции погрешностей фазы и амплитуды и выбор оптимальных соотношений элементов схемы. Рассмотрена схема потенциометрического ПФС с коррекцией амплитуды и фазы, в которой, в результате оптимизации соотношений параметров схемы, максимальное отклонение фазового сдвига от линейной зависимости составило ±0,03°, а отклонение модуля - 0,33 %.

6. Впервые предложен принцип построения ПФС с линейным преобразованием управляющего кода в фазовый сдвиг с помощью степенных рядов, используемых для моделирования синусной и косинусной зависимостей, приведено аналитическое описание схемы, реализующей этот принцип, исследованы метрологические характеристики. Показано, что при использовании семи членов разложения методическая погрешность воспроизведения фазового сдвига составит 0,003°, а модуля - 0,005 %.

7. Впервые предложен принцип построения прецизнционных КФ с поразрядным регулированием фазового сдвига, основанный на последовательном суммировании двух гармонических колебаний с фазовым сдвигом, равным дискретности соответствующего разряда, в котором сведены к минимуму методические погрешности.

8. Разработаны принципы построения и проведено исследование мостовых квадратурных устройств, не критичных к частоте питающею напряжения. Исследованы погрешности квадратурных устройств для ПФС, построенных на базе фазопостоянных и частотонезависимых фазосдвигающих схем, использующих сложение выходных напряжений. Установлено, что отклонение модуля выходного напряжения не выходит за допустимые пределы в заданном диапазоне частот. Рассмотрено квадратурное устройство, использующее аналоговый перемножитель и позволяющее получить не зависящее от частоты значение модуля выходного напряжения.

9. Проведено исследование, представлены математическая и компьютерная модели широкополосных фазоразносшых цепей, исподь-¡уемых [I качестве квадратурных устройств НФС, и имеющих чеОы-шевский характер приближения к 90°.

10. Впервые разработан принцип построения, предложены технические решения, изучены метрологические характеристики грехканального КФ, основанного на формировании трех ступенчато ;ипусоидальиых напряжений и суммировании двух из них с весовыми коэффициентами, определяющими младшие разряды фазового сдвига.

11. Впервые представлены технические решения, приведено аналитическое описание и анализ метрологических характеристик двух-канального КФ со ступенчатой аппроксимацией синусоидального сигнала и встроенным микроконтроллером, а также способ исключения дополнительных погрешностей.

Основные положения и содержание диссертации изложены в следующих

работах:

1.Сапельников В.М., Кольцов A.A. Декадное фазорегулирующее устройство для полярно-координатных компенсаторов // Конф. по разработке и применению средств информационно-измерительной и вычислительной техники: Тез. докл. - Куйбышев, 1965. - С. 36.

2. Кольцов A.A., Сапельников В.М., Беспалов А.И. Некоторые принципы формирования напряжения в компенсаторах переменного тока // Конф. по автомат, контролю и методам электрических измерений: Тез. докл. - Новосибирск, 1966. - С. 62.

3. Кольцов A.A., Сапельников В.М. О двух схемах получения четы-рехфазного напряжения // Некоторые вопросы контроля, автоматизации и телемеханизации нефтедобывающей промышленности. -Уфа, 1966. - Вып. 1. - С. 73-80. с

4.Сапельников В.М. К расчету RC-фазорегулятора для полярно-координатного компенсатора или фазометра // Некоторые вопросы контроля, автоматизации и телемеханизации нефтедобывающей промышленности. - Уфа, 1966. - Вып. 1. - С. 65-72.

5. Кольцов A.A., Сапельников В.М., Беспалов А.И. Фазосдвигающее устройство для компенсаторов переменного тока // Изв. вузов СССР. Приборостроение. - 1967. - № 7. - С. 25-27.

6. Кольцов A.A., Сапельников В.М. Низкоомный фазовращатель // Разработка и применение средств информационно-измерительной и вычислительной техники: Тез. докл. - Пенза, 1967. - С. 5.

7. Кольцов A.A., Сапельников В.М. К вопросу построения дискретного фазорегулятора // Автоматические измерительные и регулирующие устройства: Науч. тр. вузов Поволжья. - Куйбышев, 1968. -Вып. 4.

8.Сапельников В.М., Гулин А.И. Однородная комбинированная каскадная схема компенсатора и делителя напряжения // Новые измерительно-информационные устройства для нефтяной промышленности. Ч. I. - Уфа, 1968. - С. 101-104.

9. Сапельников В.М. Анализ погрешностей декадного синусно-косинусного фазовращателя // Новые измерительно-ипформациопные устройства для нефтяной промышленности. Ч. 1. - Уфа, 1968. - С. 54-62.

Ю.Сапельников П.М., Кольцов A.A. Расчет элементов схемы и погрешностей низкоомного дискретного фазовращателя // Новые измерительно-информационные устройства для нефтяной промышленности. Ч. I. - Уфа, 1968. - С. 63-73.

П.A.c. 211884 СССР, МКИ3 G 06g 7/20. Квадратурное устройство / Кольцов A.A., Сапельников В.М., Беспалов А.И. // Открытия. Изобретения. - 1968. - № 8.

12.A.c. 243705 СССР. МКИ3 G 01R 25/04. Потенциометрический фазовращатель / Кольцов A.A., Сапельников В.М. // Открытия. Изобретения. 1969. - № 17.

13.А.С. 243707 СССР, МКИ3 G 01R 25/04. Потенциометрический фазовращатель / Кольцов A.A., Сапельников В.М. // Открытия. Изобретения. - 1969. - № 17.

14.Кольцов A.A., Сапельников В.М. Об одной схеме низкоомного фазовращателя // Изв. вузов СССР. Приборостроение. - 1969. - № 2. -С. 44-49.

15.А.С. 285105 СССР, МКИ3 G 01R 25/04. Дискретный фазовращатель

с низкоомнмм выходом / Кольцов A.A., Сапельников В.М. // Открытия. Изобретения. - 1970. - № 33.

16.Кольцов A.A., Сапельников В.М. Структуры фазовращателей // Электроизмерительные, цепи и устройства контроля и автоматизации нефтяной промышленности. - Уфа, 1970. - С. 156-165.

17.A.c. 277101 СССР, МКИ3 И 03Н 7/18. Фазовращатель / Сапельников В.М., Кольцов A.A. //' Открытия. Изобретения. - 1970. - № 24.

18.Сапельников В.М. Дискретные нотепциометрические фазовращатели с поразрядным регулированием фазы // Материалы республика п. науч.-техн. конф. работников нефтегазовой, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности Башкирии. - Уфа, 1970. - С. 341-343.

19-А.с. 280655 СССР, МКИ3 G OIR 7/18. Круговой потенциометрический фазовращатель / Кольцов A.A., Сапельников В.М., Бикташев Р.Т. // Открытия. Изобретения. - 1970. - № 28.

?0.Сапельников П.М. Разработка и исследование дискретных фазовращателей с поразрядным регулированием фазы: Автореф. дис. канд. техн. наук. - Баку, 1970.

21. Кольцов A.A., Сапельников 15.М., Беспалов А.И. Некоторые принципы формирования напряжения в компенсаторах переменного тока // Тр. конф. по автоматач. контролю и методам электрических измерений. Т. 2. - Новосибирск: Изд-во СО АН СССР, 1971. - С. 123-130.

22.A.c. 325688 СССР, МКИ3 Н 03Н 7/18. Фазовращатель / Карабанов Д.Н., Коловертиов Ю.Д., Сапельников В.М. // Открытия. Изобретения. - 1972. - № 3.

23.Сафонов В.В., Кольцов A.A., Сапельников В.М Делители напряжения как диапазонные фазосдвигаюшие устройства // Изв. вузов СССР. Электромеханика. - 1972. - № 4. - С. 374-378.

24.Мостовой дискретный фазовращатель с поразрядным регулированием фазы / Кольцов A.A., Сапельников В.М., Прокофьева Т.Н., Ковель Г.А. // Изв. вузов СССР. Приборостроение. - 1972. - № 2. -С. 29-32.

25.Получение заданного сдвига фаз в диапазоне частот / Кольцов A.A., Сапельников В.М., Сафонов В.В., Гузеев Б.В. // Новые измерительно-информационные устройства для нефтяной промышленности. Ч. 2. - Уфа, 1972. - С. 159-167.

26.Сафонов В.В., Кольцов A.A., Сапельников В.М. Фазовращатели мостового типа // Новые измерительно-информационные устройства для нефтяной промышленности. Ч. 2. - Уфа, 1972. - С. 189-193.

27.Строкач С.Н., Сапельников В.М. Калибратор фазы Ф-773 // Тр. ВНИИЭП. - Л., 1973. - № 18. - С. 137-143.

28.Сапельников В.М., Бикташев Р.Т., Щедрин A.C. Дискретный по-тенциометрический фазовращатель с поразрядным регулированием фазы // Изв. вузов СССР. Приборостроение. - 1975. - № 5. - С. 2529.

29.Давлятянов Г.Х., Копанев А.Г., Сапельников В.М., Строкач С.Н. Широкополосный двухфазный генератор // Расчет и конструирование средств электроизмерительной техники: Тр. ВНИИЭП. - Л., 1976.- С. 106-109.

30.A.C. 597984 СССР, МКИ3 G 01R 25/00. Цифроуправляемый калибратор фазы / Сапельников В.М., Муфтахов А.М., Копанев А.Г. // Открытия. Изобретения. - 1978. - № 10.

31.A.c. 59923Í СССР, МКИ3 G 0IR 25/04. Цифроуправляемый калибратор фазы / Сапельников В.М., Муфтахов А.М., Копанев А.Г. // Открытия. Изобретения. - 1978. - № И.

32.Дискретный фазовращатель мостового типа с регулирование фазы до 360° / Сапельников В.М., Ахметова Л.В., Строкач С.Н., Копанев А.Г. // Измерительная техника. - 1978. - № 3. - С. 72-73.

33.Копанев А.Г., Муфтахов A.M., Сапельников В.М. Аналоговый фа-зопреобразоватсль // Вопросы теории и проектирования аналоговых измерительных преобразователей параметров электрических сигналов и цепей: Тез. докл. - Ульяновск, 1978. - С. 28-29.

34.Копапев А.Г., Сапельников В.М., Муфтахов A.M. Потенциометри-ческий фазовращатель с коррекцией фазы и стабильным коэффициентом передачи // Изв. вузов СССР. Приборостроение. - 1978. - № 10. - С, 20-24.

35.Сапельников В.М., Копанев А.Г., Муфтахов A.M. Функциональные преобразователи на операционных усилителях для дискретных ка-

либраторов фазы // Автоматизация технологических процессов в нефтяной и нефтехимической промышленности. - Уфа, 1978. - С. 13S-144.

36.Широкополосный цифроуправляемый калибратор фазы для автоматизированных испытаний устройств с электрическим входом и выходом / Сапелышков В.М., Строкач С.Ы., Муфтахов А.М. и др. // Всесоюз. конф. по измерительным информационным системам ЙИС-79: Тез. докл. - Л., 1979. - С. 270-27!.

37.Калибратор фазы / Сапельников В.М., Голенковская Л.И., Иванов В.В. и др. // ПТЭ. - 1980. - № 5. - С.243.

38.Калибратор фазы, управляемый кодовым сигналом / Сапельников

B.М., Муфтахов A.M., Копанев А.Г. и др. // ПТЭ. - 1980. - № 5. -

C. 243-244.

39.Муфтахов А.М., Сапельников В.М., Копанев А.Г. Калибратор фазы с линейным преобразованием управляющего кода в фазовый сдвиг // Измерительная техника. - 1980. - № 9. - С. 53-55.

40.Диапазонное квадратурное устройство / Копанев А.Г., Сапельников В.М.. Муфтахов А.М. it «др. // ПТЭ. - 1980. - № 6. - С. 71-72.

41 .A.c. 763815 G01R 25/04 / Сапельников В.М., Муфтахов A.M., Копанев А.Г., Максутов А.Д. Калибратор фазы // Открытия. Изобретения. - 19S0. - № 34,

42-А.с. 960660 G01R 25/04 / Сапелышков В.М., Муфтахов A.M., Копанев А.Г., Максутов А.Д. Калибратор фазы // Открытия Изобретения. - 1982. - № 35.

43.Сапельников В.М., Муфтахов A.M., Ишинбаев H.A. Прецизионный калибратор фазы // Измерительная техника. - 1983. - № 5. - С. 55-57.

44.Сапельников В.М., Муфтахов A.M., Тарасов В.В. К вопросу построения цифроуправляемого калибратора фазы низких и инфра-низких частот// Информационно-измерительные системы - 83: Тез. докл. VI Всесоюз. науч.-техн. конф. - Куйбышев, 1983. - С. 96-97.

45-А.с. 1069170 СССР, МКИ3 Н 03К 23/54. Функциональный счетчик / Ишинбаев H.A., Муфтахов A.M., Сапелышков В.М. // Открытия. И ¡обретения. - 1984. - № 3.

46 Сапельников В.М., Муфчахов A.M., Тарасов П.В. Образцовая мера фазового сдвига // Проблемы метрологического обеспечения научных исследований и учебного процесса в вуых: Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. конф. - J1., 1984. - С. 165.

47.Сапельников В.М., Муфтахов A.M. Калибратор фазы низких и ин-франизких частот // Измерительная техника. - 1984. - № 5. - С. 47.

48.Сапельников В.М., Тарасов В.В., Муфтахов A.M., Максутов А.Д. Цифровой генератор синусоидальиого сигнала // Приборы и техника эксперимента. - 1985. - № 5. - С. 93-94.

49-А.с. 1242848 G01R 25/04 / Сапельников В.М., Максутов А.Д., Тарасов В.В., Бикбулатов H.H. Цифровой калибратор фазы // Открытия. Изобретения. - 1986. - № 25.

50.А.С. 1352402 G01R 25/04 / Сапельников В.М., Максутов А.Д., Тарасов В. В. Цифровой калибратор фазы // Открытия. Изобретения. -1987. - № 42.

51 .Сапельников В.М., Максутов А.Д., Тарасов В.В. Цифровой калибратор фазы // Известия вузов СССР. Приборостроение. - 1990. - № 8. - С. 28-32.

52.Сапельников В.М. ЦАП в калибраторах фазы. Учебное пособие. -Уфа, 1991. - 75 с.

53.Сапельников В.М. Максутов А.Д. Прецизионный калибратор фазы, управляемый встроенной микроЭВМ // Тезисы докл. научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (Датчик-96). Т.2. - Гурзуф, 1996. - С. 435-436.

54.Максутов А.Д., Тарасов В.В., Сапельников В.М. Калибратор фазы со встроенным микроконтроллером на однокристальной микроЭВМ К1816ВЕ51 // Вестник Башкирского университета. - 1996. - № 2 (1). - С. 20-23.

55.Максутов А.Д., Тарасов В.В., Сапельников В.М. Электронные блоки калибратора фазы // Вестник Башкирского университета. - 1996. - № 3 (I). - С. 21-24.

56.Сапельников В.М. Нелинейный цифро-аналоговый преобразователь - дискретный аналог синусно-косинусного потенциометра // Измерительная техника. - 1997. - № 1. - С. 32-34.

57.Сапельников В.М., Максутов А.Д. Двухканальный калибратор фазы со ступенчатой аппроксимацией и коррекцией погрешностей // Приборы и системы управления. - 1997. - № 4. - С. 46-47.

58.Сапельников В.М. Цифро-аналоговые преобразователи в калибраторах фазы. - Уфа. - 1997. - 152 с.

59-Сапельников В.М. Квадратурные устройства калибраторов фазы // Сб. докладов научно-техн. конф."Радио и волоконно-оптическая связь". - Воронеж, 1997. - С. 1016 - 1022.

60.Сапельников В.М. Цифровые синусио-косинусные калибраторы фазы //Тез. докл. 9-й научн.-техн. конф. «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления», май 1997 г. - М.: МГИЭМ, 1997. - С. 30-32.

61 .Максутов А.Д., Тарасов В.В., Сапельников В.М. Электронные блоки прецизионного калибратора фазы, управляемого встроенной микро-ЭВМ//Тез. докл. 9-й научн.-техн. конф. «Датчики и преобразователи информации систем измерения, : ения», май 1997 г. - М.: МГИЭМ, 1997. - С. 407-41

реяу^'оаху—' у^яд»**^*; ■ г

Президиум ВАК России -

фешевве19Щ_ г.. пМ^АЛ ¿Щтсу&ш ученую степень ДОКТОРА I

г I?

мелгшъ&ышу;__на?» |

Й/Натльник ундавленк^ ВАК РОССКЙ ••

БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Сапельников Валерий Михайлович

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ФАЗОВОГО СДВИГА

(принципы построения, развитие теории, исследование, разработка)

05.13.05 - элементы и устройства вычислительной техники

и систем управления 05.11.05 - приборы и методы измерения электрических и магнитных величин

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Уфа 1997

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.........................................................................................................6

ГЛАВА 1. Фазовращатели и калибраторы фазы. Структуры фазовращателей (обзор литературы и обобщения)

1.1.Фазовращатели. Структуры фазовращателей.......................................23

1.1.1 .Делитель напряжения (измерительный преобразователь)

и его применение в фазовращателях.............................................25

1.1.2.Фазовращатели, использующие делители с

параллельно соединенными входами............................................26

1.1.3.Фазовращатели на каскадно соединенных

делителях напряжения....................................................................31

1.1.4.Фазовращатели на делителях напряжения с последовательно соединенными выходами..................................34

1.1.5.Фазовращатели, использующие делители

напряжения, с параллельно соединенными выходами.................40

1.1.6.Фазовращатели на делителях напряжения с последовательно соединенными выходами..................................44

1.1.7. Электромеханические фазовращатели........................................47

1.1.8. Классификация фазовращателей.................................................50

1.2.Калибраторы фазы с поразрядным регулированием

фазового сдвига......................................................................................53

1.2.1 .Калибратор фазы на линиях задержки...........................................53

1.2.2.Калибратор фазы на трансформаторных делителях......................55

1.2.3.Фазовращатель на делителях напряжения с шунтирующими декадами................................................................57

1.2.4. Мостовой дискретный фазовращатель..........................................57

1.2.5. Эффект сверхглубокого деления частоты и его

использование в точных измерениях фаз электрических

сигналов..........................................................................................60

1.2.6. Государственная поверочная схема для средств

измерений угла фазового сдвига между двумя электрическими

"X 1

напряжениями в диапазоне частот 1-10" 2 -10 Гц....................64

Выводы по главе 1........................................................................................68

ГЛАВА 2. Синусно-косинусные потенциометрические калибраторы фазы

2.1.Нелинейный цифро-аналоговый преобразователь -

дискретный аналог синусно-косинусного потенциометра...................70

2.2. Калибратор фазы с поразрядным регулированием

фазового сдвига......................................................................................74

2.3. Анализ погрешностей синусно-косинусного

калибратора фазы...................................................................................82

2.4.Функциональные преобразователи на операционных

усилителях для дискретных калибраторов фазы..................................93

2.5. Низкоомный дискретный калибратор фазы.............................................

2.6.Низкоомный калибратор фазы с меньшим

диапазоном изменения входного сопротивления.................................98

2.7.Обобщенная математическая модель решающих усилителей...........112

2.8.Динамическое проектирование РУ......................................................119

Выводы по главе 2......................................................................................127

ГЛАВА 3. Потенциометрические и мостовые калибраторы фазы

3.1. Дискретный потенциометрический калибратор

фазы с поразрядным регулированием фазового сдвига.....................128

3.2. Потенциометрический калибратор фазы с коррекцией

фазового сдвига и стабильным коэффициентом передачи................133

3.3. Мостовой калибратор фазы................................................................138

3.4.Калибратор фазы мостового типа с

регулированием фазового сдвига до 360°.................................................142

Выводы по главе 3......................................................................................146

ГЛАВА 4. Калибраторы фазы, управляемые цифровым кодом

4.1.Калибратор фазы с линейным преобразованием

управляющего кода в фазовый сдвиг........................................................147

4.2. Прецизионный калибратор фазы........................................................152

4.3. Блок - схема калибратора фазы..........................................................158

4.3.1. Блок источника опорных напряжений.........................................160

4.3.2. Анализ влияния параметров схемы.............................................167

4.3.3. Блок преобразователя код - фазовый сдвиг................................169

4.3.4 Анализ погрешностей функционального преобразователя.........172

4.3.5. Блок коммутатора опорных квадратурных напряжений............176

4.3.6. Блок цифрового управления фазовым сдвигом..........................176

4.3.7.Структурная схема блока цифрового управления.......................178

Выводы по главе 4......................................................................................178

ГЛАВА 5. Квадратурные устройства калибраторов фазы

5.1. Квадратурные фазосдвигающие устройства......................................179

5.2. О двух мостовых схемах получения

четырехфазного квадратурного напряжения......................................181

5.3. Фазосдвигающее устройство с интегрирующим

усилителем и воздушным трансформатором......................................186

5.4. Широкополосное квадратурное устройство.......................................189

5.5. Широкополосное квадратурное устройство на

основе фазоразностных цепей.............................................................191

5.5.1. Фазоразностные цепи...................................................................191

5.5.2. Аналитическое выражение разности фазовых постоянных.......193

5.5.3. Условие наилучшего приближения функции ф(со)

к постоянной i|/ в заданном интервале частот coi<co<co2.............194

5.5.4. Определение оптимальных параметров функции ср(со)..............195

5.5.5. Расчет параметров цепи...............................................................206

5.5.6. Исследование квадратурного устройства с помощью ЭВМ.......210

5.5.7. Экспериментальное исследование макета квадратурного устройства......................................................................................213

5.6.Диапазонное квадратурное устройство на операционных

усилителях............................................................................................215

Выводы по главе 5......................................................................................222

ГЛАВА 6. Двухфазные генераторы со ступенчатой аппроксимацией гармонических колебаний бЛ.Трехканальный калибратор фазы низких и инфранизких

частот................................................................................................223

6.2 Цифровой генератор синусоидального сигнала..............................228

6.3. Цифровой калибратор фазы в стандарте КАМАК.........................232

6.4.Двухканальный калибратор фазы со ступенчатой аппроксимацией синусоидального сигнала и

встроенным микроконтроллером.....................................................237

6.5.Электронные блоки калибратора фазы со

встроенным микроконтроллером на однокристальной

микро-ЭВМ К1816ВЕ5.....................................................................245

Выводы по главе 6......................................................................................251

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................................................................252

ЛИТЕРАТУРА................................................................................................255

ПРИЛОЖЕНИЕ..............................................................................................272

ВВЕДЕНИЕ

Известный английский ученый Джон Бернал в конце пятидесятых годов писал: «Достижения хотя бы приемлемого темпа роста национального дохода зависят в первую очередь от количества научных исследований в прошлом, результаты которых можно использовать в настоящем». По праву это утверждение относится и к измерительной технике и метрологии - основе совершенствования современного производства, повышения эффективности технологических процессов, улучшения качества продукции [1].

Развитие технического уровня производства, проблема повышения качества и надежности продукции, переход к автоматизации и комплексному управлению технологическими процессами во многом зависят от уровня измерительной техники. Значение измерительной техники стало особенно важным в последние годы, когда условия производства носят зачастую экстремальный характер - высокие температуры, глубокий вакуум, агрессивные среды, большое число контролируемых параметров, широкий диапазон измеряемых величин и т.д. Все это определяет и очень жесткие требования к современной метрологии, которая обеспечивает достоверность и сопоставимость измерений и поэтому является важнейшей, неотъемлемой частью научно-технической базы страны и одним из определяющих факторов научно-технического прогресса.

Возможности средств метрологического обеспечения всегда зависели от уровня научных исследований и состояния технологической базы. Всегда велико значение фундаментальных научно-исследовательских работ, направленных на развитие метрологии и средств измерений.

Развитие техники и технологии привело к резкому изменению положения в современной метрологии. Это, в частности, проявилось в том, что намного сократился и все более уменьшается разрыв между погрешностью

воспроизведения единиц физических величин эталонами и точностью образцовых средств измерений и, в свою очередь, между точностью образцовых и рабочих средств измерений.

Следует отметить большой интерес к технике фазовых измерений. Сделать такой вывод позволяет большое количество публикаций в научно-технических журналах и в патентной литературе. Не имея возможности останавливаться на большом разнообразии средств и методов фазовых измерений, отметим лишь несколько публикаций, посвященных разнообразным классификациям измерителей фазового сдвига [2-7].

Характерной чертой развития современных средств измерений является непрерывный рост требований к точности эталонов, как основе метрологического обеспечения, что обуславливает высокое качество продукции [8].

Измерение фазовых соотношений между напряжениями и токами представляет большой практический интерес, что связано как с измерениями коэффициента мощности (созчр) промышленных установок, так и с измерениями параметров носителей измерительной информации электрических и неэлектрических величин. Следует отметить, что часто преобразование в измерительных приборах электрических и неэлектрических величин в фазовый сдвиг может быть более эффективным и позволяет создавать приборы с лучшими метрологическими характеристиками.

Большое место в фазометрии занимают преобразователи фазового сдвига (ПФС), фазовращатели и калибраторы фазы (КФ).

Калибратором фазы называют образцовое средство измерений, служащее для хранения и воспроизведения угла фазового сдвига между двумя электрическими сигналами синусоидальной формы (напряжениями или токами) с заданной погрешностью и предназначенное для градуировки, аттестации и поверки фазометрической аппаратуры [241].

КФ могут использоваться как точные фазовращатели в полярно-координатных компенсаторах, компенсационных фазометрах, вектормерах.

Иногда в литературе калибраторами фазы называют измерительные двухфазные генераторы, эталонные фазовращатели, эталоны фазового сдвига. Можно отметить, что понятия фазовращатель и КФ в значительной степени перекрываются.

Первые работы по измерению сдвига фаз возникли в связи с введением передачи энергии переменным током. С развитием радиотехники появились требования измерения различных параметров цепей, например, комплексных сопротивлений в цепях различных устройств.

В 1922 г. Ф.Траутвайн предложил схемы фазометров с ограничением амплитуды [9], а Г.Михалке - с использованием векторных соотношений типа «сумма - разность» [10].

В тридцатых годах начинают внедряться компенсационные методы измерения фазовых сдвигов, основанные на применении точных фазовращателей и нуль-индикаторов. В частности, фазометры компенсационного типа, описанные в работах Р.Найквиста [11], Л.И.Мандельштама [12], Турнера и Макнамары [13], Ла-Пиерра [14], В.О.Арутюнова [15], К.П.Широкова [16], Н.Д.Папалекси и Л.И.Мандельштама [17], Д.Моррисона [18], Н.Н.Соловьева [19] и др. обеспечили измерение фазовых сдвигов с погрешностью 1-3 град, в широком диапазоне частот. В середине 50-60-х годов во всем мире начался промышленный выпуск фазометров.

Разработка КФ обусловлена их применением в электронных фазометрах, вектормерах, компенсаторах переменного тока. В то же время КФ предназначены для использования в средствах метрологического обеспечения перечисленных измерительных приборов.

В настоящее время фазовые измерения находят широкое применение в новейших областях науки и техники в связи с тем, что удается получить лучшие метрологические характеристики [20, 230, 282], при построении фазометров применяют микропроцессоры [270].

В работе [21] применены методы микрофазометрии к некоторым акустическим задачам, в частности, к обнаружению модуляции фазы акустической волны в жидкости под действием другой акустической волны.

В ядерной физике при изучении воздействия быстрых нейтронов на различные материалы применяются измерения угла фазового сдвига [22].

Проблема создания помехоустойчивой аппаратуры, задачи обработки случайной информации и измерения слабых сигналов на фоне помех связаны с экспериментальным определением характеристик случайных процессов. Измерение корреляционных функций служит эффективным средством решения этих задач. Одним из наиболее эффективных способов оценки точности является компенсационный с применением образцовых фазовращателей [23].

Фазовый метод позволяет значительно увеличить точность измерения скорости света, осуществить радиофизический вариант известного релятивистского вихревого опыта Саньяка. Последний измерял скорость света, вращал со скоростью 1 оборот/с систему четырех полупрозрачных зеркал, внутри которых проходили два световых луча навстречу друг другу. Будучи введенными вместе, они давали смещение интерференционных полос, соответствующее отношению скоростей света и вращения системы. В радиофизическом варианте роль системы зеркал играл коаксиальный кабель, намотанный на вращающийся барабан, а для контроля смещения колебаний был применен фазометр, что позволило увеличить точность на порядок [24].

Использование фазы сигнала позволяет получить наиболее высокую точность определения расстояния, разности расстояний, углов и т.п. Фазовые пеленгаторы позволяют осуществить измерение углов с предельно высокой

точностью [25, 199, 202, 239]. Фазовые измерения позволяют производить точный зондаж степени зарядки аккумуляторных батарей, работающих на удаленных объектах, например, на кораблях в ближнем и дальнем космосе [26].

Производство микросхем возможно при высокой чистоте исходных материалов. Для контроля используются неразрушающие методы, например, основанные на токах Фуко. Методы измерения с помощью амплитуды вихревых токов позволяют определять качество материала (например, алюминий, медь, тантал, галлий и т.д.) с погрешностью 4-5 %. Фазовый сдвиг зависит от типа материала. Например, у меди сдвиг составляет 20 у алюминия - 15 тантала -3 0 и т.д. При использовании фазометров с погрешностью 0,2 0 измерение количества наносимых материалов определяется с погрешностью 0,5 % [27].

Чистые кристаллы выращиваются при высоких температурах, например, при 1473 ° ± 0,1 °К. Обычные пирометры измеряют температуру с погрешностью в 1,3 °К. Использование фазовых измерений позволяет обеспечить контроль температуры с погрешностью ±0,06 °К.

Измерение расхода жидкостей является актуальной задачей при автоматизации технологических процессов. Одним из наиболее эффективных методов решения этих задач является ультразвуковой метод, заключающийся в измерении разности хода между ультразвуковыми сигналами с помощью фазометра [28].

При измерении малых углов наклона поверхностей широко применяются электронные уровнемеры с жидкостной ампулой, построенные на основе фазового преобразования измеряемой величины. Чувствительность электронных фазовых уровнемеров составляет 0,1 " [29].

Фазовые измерения позволяют достигать очень высокой чувствительности при измерении линейных смещений (до 0,01 мкм) [30].

Использование в электроизмерительной технике фазопостоянных измерительных цепей позволило создать телеизмерительные системы

сравнения, автоматические ваттметры высокой точности, трехмерные компенсаторы, приборы для измерения угловой скорости, взаимной индуктивности, частоты и др. [31].

В квазиуравновешенных мостах переменного тока точность установки квазиравновесия основана на индикации нулевого, 90 ° и 180 ° сдвигов фаз [32].

Фазометрические устройства применяют в установках, измеряющих угол потерь в диэлектриках, ферритах и материалах с нелинейными характеристиками [33, 34, 191].

Фазовые преобразователи применяют в многоканальных устройствах сбора и кодирования информации [35], а также при настройке систем оптимальной амплитудно-фазовой модуляции [36, 37].

В системах передачи сообщений фаза используется как информационный параметр радиосигнала [38]. Широкое применение при радиоимпульсной фазовой автоматической подстройке частоты имеют специальные датчики -фазовые различители, пр�