автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Разработка аппаратных и программных средств цифровых калибраторов фазы



На правах рукописи

Максутов Амнр Даугович

РАЗРАБОТКА АППАРАТНЫХ И ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ ЦИФРОВЫХ КАЛИБРАТОРОВ ФАЗЫ

05.13.16 - Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа 1998

Работа выполнена на кафедре физической электроники и в центре новых информационных технологий Башкирского государственного университета.

Научный руководитель

доктор технических наук, доцент Сапельников В.М.

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Филиппов А.И., кандидат технических наук, доцент Ишинбаев Н.А

Ведущая организация

Рязанская государственная радиотехническая академия им. А.С. Попова

Защита диссертации состоится 1 декабря 1998 г. в 14 час 00 мин на заседании диссертационного совета Д-064.13.02 при Башкирском государственном университете но адресу: 450074, г. Уфа, ул. Фрунзе, 32, математический факультет, 511 ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Башкирского государственного университета

Автореферат разослан 26 октября 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Болотнов А. М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проведенных исследований определяется большой значимостью фазовых измерений, поскольку фазовый сдвиг, наряду с амплитудой и частотой, является одним из важнейших информативных параметров гармонического напряжения. В работе ставится задача создания образцовой меры фазового сдвига, которая предназначена для поверки электронных фазометров.

Существенным является и то обстоятельство, что разработанные в диссертации калибраторы фазы позволяют автоматизировать процесс поверки фазометров.

Кроме фазовых измерений калибраторы фазы наиболее широко применяются в вектормерах, компенсаторах переменного тока. В этом случае производится измерение двух параметров, например, амплитуды и фазового сдвига. Разработанные калибраторы фазы в случае применения в автоматических измерительных приборах упрощают алгоритмы уравновешивания. Автоматические компенсаторы переменного тока необходимы для контроля и регулирования процессов разведочного бурения в комплексе с индуктивными датчиками, для исследования динамических свойств автоматических измерительных приборов.

Поскольку некоторые из разработанных калибраторов фазы достаточно просты, они могут применяться в радиоэлектронной аппаратуре.

Главными достоинствами разработанных калибраторов фазы являются их высокие метрологические характеристики, возможность поразрядного регулирования фазового сдвига, управление от ЭВМ или по заданной программе с помощью встроенного микроконтроллера.

Целью настоящей работы является:

• разработка калибраторов фазы с поразрядным регулированием фазового сдвига и высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками, пригодными для использования как в качестве образцовых мер фазового сдвига, так и в радиоэлектронной аппаратуре с дискретным, поразрядным регулированием фазового сдвига.

• создание и исследование цифрового калибратора фазы, управляемого от ЭВМ через стандартные интерфейсы, а также использующего встроенную микроЭВМ для управления его работой, в том числе в составе автоматических систем управления.

• расширение области применения цифровых калибраторов фазы за счет снижения дополнительных погрешностей, возникающих при подключении комплексных нагрузок к выходам калибраторов фазы.

А

• создание алгоритма и программного обеспечения для работы цифрового калибратора фазы.

• исследование разработанных цифровых калибраторов фазы и их аттестация.

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.регистр01860130410, а также по хозяйственным договорам с центром метрологии, стандартизации и сертификации Республики Башкортостан Госстандарта России, ВНИИЭП министерства приборостроения, средств автоматизации и систем управления СССР.

Методы исследования . Поставленные в работе задачи решены с использованием классической теории электрических сигналов и цепей. Применен математический аппарат теории комплексного переменного, классические разделы' математического анализа, теории специальных функций, булева алгебра. Проверка результатов теоретических исследований проводилась посредством натурных исследований, использования математических и компьютерных моделей.

Научная новизна исследований, проведенных в работе, заключается в следующем:

1. Предложены новые технические решения построения дискретных калибраторов фазы, исключающие методические погрешности и использующие вычислительную технику.

2. Разработаны и исследованы принципы построения цифрового калибратора фазы с регулированием фазового сдвига большим числом разрядов в диапазоне инфранизких и звуковых частот.

3. Разработан цифровой калибратор фазы, выполненный на базе современных элементов вычислительной техники, в котором за счет введения обратных связей достигается повышение точности и уменьшение дискретности воспроизведения фазового сдвига в широком диапазоне частот.

4. Разработаны алгоритмы и программное обеспечение для реализации (создания) цифрового калибратора фазы, обеспечивающие быстродействие и высокие метрологические характеристики прибора.

Результаты научных исследований составили теоретическую и " практическую основу для создания цифровых калибраторов фазы и образцовых мер фазового сдвига, имеющих высокие метрологические ха-

рактеристики, широкие функциональные возможности.

Новизна выполненных работ подтверждена тремя авторскими свидетельствами на изобретение устройств цифровых калибраторов фазы.

Практическая ценность работы. Предложенные технические решения построения калибраторов фазы с применением средств вычислительной техники позволяют эффективно решать задачи создания образцовых мер фазового сдвига, обладающих высокими метрологическими характеристиками.

Показана возможность построения калибратора фазы на базе управляемых цифроаналоговых преобразователей без методической погрешности.

Проведены исследования по применению ЭВМ и системы КАМАК для построения цифровых калибраторов фазы.

Разработан калибратор фазы со встроенной микроЭВМ на основе цифровых двухфазных генераторов со ступенчатой аппроксимацией гармонических колебаний через равные интервалы, где исключается влияние быстродействия микроЭВМ на выходные параметры калибратора фазы.

Разработан способ устранения погрешностей цифрового калибратора фазы со ступенчатой аппроксимацией гармонических колебаний, вызванных смещением нулевого уровня колебаний и появлением дополнительного фазового сдвига при подключении различных нагрузок к выходам калибратора фазы.

Представленные в диссертации практические задачи решались в тесном сотрудничестве с Башкирским Центром стандартизации, метрологии и сертификации (БЦСМиС).

Один из разработанных калибраторов фазы внедрен в БЦСМиС в качестве образцовой меры фазового сдвига 1-го разряда.

Для калибраторов фазы на базе двухфазных цифровых генераторов разработаны принципиальные схемы основных узлов и блоков с применением однокристальной микроЭВМ, микропроцессорного комплекта и персонального компьютера типа IBM/PC. Для микроЭВМ разработан пакет программ на Ассемблере, обеспечивающий полную работоспособность прибора.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на Международной научно-технической конференции "Проблемы нефтегазового комплекса России" (г. Уфа, 13-15 мая 1998 г.), на VII

Всесоюзной конференции молодых ученых и специалистов Госстандарта СССР (г. Казань, 28-30 октября 1987 г.), на научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (Датчик-9б,Датчик-97) (г. Москва, МИЭМ,1996 и 1997г.).

Публикации. Основные -положения диссертационной работы изложены в 15 печатных работах. На основные схемотехнические решения получены три авторских свидетельства СССР.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, изложенных на 170 страницах машинописного текста, 52 иллюстрации, списка использованной литературы из 279 наименований.

На защиту выносятся:

1. Разработка и исследование цифроуправляемого калибратора фазы, в котором за счет использования математических методов исключены методические погрешности воспроизведения фазового сдвига и амплитуды выходных напряжений.

2. Способ построения цифрового калибратора фазы, который позволяет исключить влияние вычислительной мощности встроенной микроЭВМ на выходные характеристики прибора.

3. Разработка и исследование двухфазного цифрового сигнального процессора с высокими метрологическими характеристиками за счет коррекции постоянной составляющей выходных сигналов и начального фазового сдвига.

4. Алгоритм и программное обеспечение цифрового калибратора фазы, обеспечивающие быстродействие и точность прибора.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследований.

В первой главе проведен обзор литературы по фазовращателям и калибраторам фазы, сформулированы основные требования, предъявляемые к ним.

Вторая глава посвящена рассмотрению оригинальной схемы КФ с цифровым поразрядным регулирова нием фазового сдвига.

Широкое распространение получили калибраторы фазы, в которых используется аппроксимация функциональной зависимости фазового сдвига от изменения регулируемого параметра. Такие приборы имеют

методическую фазовую и амплитудную погрешности, что препятствует повышению их метрологических характеристик.

Рассмотрим калибратор фазы [3], функциональная схема которого приведена на рис. 1. На выходы коммутатора К, служащего для расширения диапазона регулирования фазового сдвига, подаются равные по амплитуде и сдвинутые относительно друг друга по фазе напряжения

где 17 - амплитуда опорных напряжений; ср - разность фаз между напряжениями на соседних входах; Б - количество входов коммутатора.

Рис. 1.

Входным управляющим кодом N осуществляется подключение к выходам коммутатора напряжений

Оа = ие№; + (1)

где к= О, 1, 2, ..., Б-2 - номер опорного напряжения, подключенного к выходу коммутатора.

На рис.2 представлена векторная диаграмма, иллюстрирующая принцип работы калибратора фазы, для случая, когда ф=90°.

Напряжения и поступают на первый блок сумматоров БС1 - на входы дискретно-управляемых проводимостей 01-04. На выходах операционных усилителей А1 и А2 формируются напряжения

иI и амплитуды которых равны амплитудам опорных напряжений, а фазовые сдвиги по отношению к опорным напряжениям определяются как ц>1=к.ц>+кт/18 ; ф'/=<р/+л /75 .

Таким образом, фазовый сдвиг между напряжениями Ц] и остается постоянным во всем диапазоне регулирования и равным ф; -ф] =71 /18.

а'1 £Л> ш ио ио

Рис.2.

Рассмотрим работу последнего 1-го блока сумматоров БСл, на входы которого поступают напряжения

(2)

.1 тс

■'Г/-1

и : . = Ое

и. 1-1

18 ■ 10

I - 2

Напряжения на его выходах будут определяться выражениями

и ,=ие

I

V. =ие

I

<Р,-_! +

+

л I

18•10 ' — ' л(/ + 1)

1810

«-1

= а .0 . , +■ р .О '. л ;

I 1-1 Г1 I - 1

= а '.и. . + р :и: ,, I 1-1 «- г

(3)

где /=0,1,2,... ,9 - значение соответствующего разряда кода фазового сдвига.

Совместное решение уравнений (2) и (3) позволяет определить коэффициенты суммирования:

МО

«;(/) =

_ п I 18-10 "Т ~ о"

71

Бт

18 10'

Л к ■(/ + 1)

18-10 ' 3 18 10 '-'

;Р,С) =

;Р/(0 :

к ■ I 18-Ю''1 .

я ' 18~-10 '"2

п

18-Ю'"2

18 10 '

18-10'

/-1

Фазовые сдвиги напряжений V. и О', равны

а разность фаз составит <р- «р ( = я / (18 • 10)•

Выходные напряжения О . и IIс последнего блока сумматоров БС1- поступают на входы дискретно-управляемых проводимостей 05 Об выходного сумматора, собранного на операционном усилителе АЗ. На его выходе формируется выходное напряжение

]

и„„=17е

ср. + -

71 -I

18-10

где г=0,1,2,...,9 - значение последнего разряда кода фазового сдвига;

вт

18 -10

■к - ( _ 18 -10 '

вШ

а

; Р,+, =

18 • 10 '

ит - ..... . ,

18 ■ 10

18-10 '"'

Таким образом, фазовый сдвиг выходного напряжения равен

1+1

Если ср=100° и i=3, то выражение (4) примет вид: срвм1 100°+-«-10°+«. 1 °+Л0, l°+í-0,01

Амплитуда выходного напряжения равна амплитуде опорного напряжения и остается постоянной во всем диапазоне регулирования фазового сдвига. Коэффициенты суммирования вычисляются встроенной микроЭВМ и поступают на цифровые входы дискретно- управляемых проводимостей.

Как следует из (3) и (4), выходное напряжение формируется таким образом, что методическая погрешность воспроизведения фазового сдвига отсутствует.

В третьей главе 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.

Кривая выходного напряжения при ступенчатой аппроксимации показана на рис. 3., где

U(а) = Un sin со/ - идеальная синусоида с амплитудой Um и частотой со; U (а ) — кривая выходного напряжения преобразователя той же частоты при ступенчатой аппроксимации; t/, (а ) = U sin( со/ + у ,) _ первая гармоника формируемой

>£J U{a) = Uт sin юг

í/,.(cc) = í/fflsin(íAa)

Рис. 3.

кривой; ц ^ _ у л'и(Да ,) ~ значение напряжения на г'-й ступени. Разложим ступенчатую кривую и (а ) в ряд Фурье и определим коэффициенты ряда Ск и Вк.

I2?-. /Р-Ъу у Р-1 , . ,

Ок =С, + ]ВК =-Ща)е>т<ь.=-£ -е/к/') =

Л О к г-0 а, ^/=0

-ASe7^ -bí;-^)^^ /=0

2ж

Комплексный коэффициент ряда при к; = тр л- 1; т = 0; ± 1; ± 2;...

Dk =Ск +JBK = - ^(l -

2пк V / к Д. а

Поскольку р - четное, то все к - нечетные. Следовательно, выходное напряжение í/(ct) содержит только нечетные гармоники: . Да

Sin---Г г да \ ^ j

0{а )=и т \ sin о/ - + £-7 sin [{тр -1V + -1 ]

1 V 2 ; п,{тр-\

2

ас |

+ V-sin[(mp + ])м/ +\утр +1]

+1

Выходное напряжение не содержит гармоник близких к основной. Первой из высших гармоник будет гармоника порядка к = р-1; второй — порядка к — р-2; третьей - порядка к = 2р-1; четвертой - порядка к = 2р±1; и т.д.

Коэффициент искажения Ки определяется выражением

« AU - (Аа)" • ir _ Аа _ ^ *

= Т~Г = ; = V/T" 7Ж"

^ т

где

1 " 71 Г ~1

Д U = — J [(7 (а )- Í/ , „, sin (со t + V , )J2 d а =

2 о

Д а

ív'.rw „ i .. , г/ : í/ : sin 7

I J и 2 (а Va - i-г; 2

о

2 J " ч" ~ 2 2 2 С Да

2

среднеквадратичеекая погрешность отклонения формируемой кривой от синусоиды.

В п.3.2 рассмотрен цифровой калибратор фазы в стандарте КАМАК. Калибратор фазы осуществляет формирование двух напряжений с регулируемым фазовым сдвигом и .предназначен для поверки электронных фазометров и прецизионных двухфазных генераторов [5,7]. В нем используются ЦАП с источником опорного напряжения (ИОН), фильтры нижних частот (Ф) и оперативно-запоминающие устройства (ОЗУ). Работой калибратора фазы управляет микроЭВМ через интерфейсную систему КАМАК. Основные технические характеристики (амплитуда, форма и фазовый сдвиг выходного сигнала) определяются управляющей программой микроЭВМ. Такой подход позволяет собрать калибратор фазы с гибко перестраиваемыми характеристиками из набора стандартных элементов ЦАП, источников опорного напряжения, фильтров, запоминающих устройств - с управлением от ЭВМ по заданной программе.

ЦАП-! Ф1

ион

УI

Вяашод гстфз тор

Вкашнии ИОН

--о

уг

м а г и с т

Р а л ь

Рис. 4.

Такой подход позволяет собрать КФ с гибко перестраиваемыми характеристиками из набора стандартных элементов. Структурная схема калибратора фазы представлена на рис. 4.

Для получения выходного сигната синусоидальной формы вычисляются значения 11 = в'тх и У, = х'т(х^у) и через крейт-контроллер

ЦАП-2 -► Ф2

КАМАК записываются по шинам \V1-W16 магистрали КАМАК соответственно в ОЗУ-1 и ОЗУ-2. Адреса ОЗУ задаются формирователем адреса (ФА). При считывании данных адреса ОЗУ формируются от тактовых импульсов внешнего генератора и на выходах ОЗУ-1 и ОЗУ-2 находятся изменяющиеся во времени коды функций У, и У2, которые поступают на входы цифроаналоговых преобразователей ЦАП-1 и ЦАП-2 соответственно. На выходах ЦАП-1 и ЦАП-2 формируются два ступенчато-синусоидальных сигнала с регулируемой разностью фаз. Для получения синусоидального сигнала используются фильтры нижних частот Ф1 и Ф2, построенные на активных ЯС-цепях.

Источник опорного напряжения построен с использованием термостабильных стабилитронов и операционных усилителей с малым дрейфом и представляет собой прецизионный источник напряжения 10,24 В с низким уровнем дрейфа.

В калибраторе фазы удобно использовать внешний генератор -синтезатор частоты, управляемый от микроЭВМ и выполненный в стандарте КАМАК.

При выполнении ОЗУ на микросхемах 155РУ5, ЦАП - на микросхемах К1108ПА1 с выходным усилителем, выполненным пс> двухка-нальной схеме, калибратор фазы имеет дискретность регулирования фазового сдвига 0,1° в диапазоне 0-360° с погрешностью 0,05°; максимальная амплитуда выходных напряжений 10 В, максимальная чистота - 100 кГц.

П. п. 3.3, 3.4 посвящены двухканальному калибратору фазы со ступенчатой аппроксимацией синусоидального сигнала и встроенным микроконтроллером. КФ может использоваться для генерирования двух напряжений с заданным фазовым сдвигом и служит для аттестации фа-зоизмерительных приборов.

Функциональная схема цифрового калибратора фазы, управляемого встроенным программируемым микроконтроллером [5], приведена на рис. 5.

БКиД!—э

ПМК

—Ншдг,

эШош

г

ЦАП1НГфП->и,

сч

I

фОП2ИУЦАП2|—ЭГФЛт->Ц;

Рис. 5.

Устройство работает следующим образом. Информация о раз-

1

ности 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 N значений, необходимых для аппроксимации одного периода колебаний с заданной величиной коэффициента нелинейных искажений функций

У1 = Т(Ю1)иУ2=4/((0 14ф).

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

Кривые выходных напряжений при ступенчатой аппроксимации изображены на рис. 6. Здесь показаны и^чты, и2=ип^т(ш+<р) -идеальные синусоиды выходных напряжений с амплитудами ит, частотой со и разностью фаз (р.

> > и и^и^той

представляющие ступенчатую аппроксимацию синусоидальных сигналов и у и и2 через равные интервалы 2:т/\г[3]. Здесь ¡-0,1,2,...,№-1.

Программируемый микроконтроллер считывает из ПЗУ значения функций

Рис. 6.

На рисунке приведены также зависимости

и записывает последовательно в первый и второй блоки оперативной памяти (БОП1 и БОП2) соответственно.

Затем ПМК выдает код частоты на управляющий вход широкодиапазонного генератора (ШДГ), частота которого равна где /=ю/2л;. Тактовая частота Р поступает на счетчик (СЧ), формирующий адреса первого и второго блоков оперативной памяти. На выходах этих блоков будут присутствовать изменяющиеся во времени коды функций У, и У,, которые поступают соответственно на входы цифроаналоговых 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 , _ 2 " . Из этих

кп ~ N^2

напряжений фильтрами нижних частот Ф1 и Ф2 выделяются основные гармоники, которые поступают на выходы калибратора фазы.

Подключение комплексных нагрузок к калибратору 'фазы, дрейф параметров элементов схемы, а также прочие влияния при формирова-

нии выходных сигналов приводят к появлению дополнительных фазовых сдвигов и постоянных напряжений смещения (рис. 7.).

Рис. 7

С учетом отмеченных погрешностей выходные напряжения калибратора фазы можно представить/в виде и'¡=и01+и^1п(ш+А(р,) и

где и01, и02, Д<р/ и Д(р; соответственно постоянные составляющие и дополнительные фазовые сдвиги выходных напряжений калибратора фазы.

Коррекция постоянных составляющих и дополнительных фазовых сдвигов выходных сигналов в каждом канале калибратора фазы производится с помощью блоков коррекции (рис. 8.), вводимых в каждый канал и работает следующим образом [6].

Идеальное выходное напряжение первого канала должно определяться как U — Uт sinoat. В результате влияния отмеченных выше факторов оно получает дополнительный фазовый сдвиг Аф; и постоянное смещение Uoh которые непосредственно влияют на погрешность калибратора фазы. Это напряжение можно представить как:

U' = Uт(sin(oí + Л<р.) + Uы .

Выходное напряжение с каждого канала калибратора фазы и' поступает на вход блока выборки и запоминания (БВЗ), в котором производится запоминание значений выходного напряжения в моменты времени перехода через нуль (соt„ и соtm) (рис. 7), определяемые блоком сравнения кодов (БСК).

Для каждого канала за период запоминается два значения выходного напряжения, соответствующие моментам перехода через нуль:

Uo-UorVjinAvj;

U m^Uoi+U^inhyi, где U0¡ - постоянное смещение, Л<р; - дополнительный фазовый сдвиг.

Рис. 8.

С помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) напряжения 170 и 1Гт преобразуются в коды К0 и К1т. Арифметический блок (А) производит сложение и вычитание кодов К0 и К1Я№. В результате вычислений получаем суммарный Кс и разностный Кр коды: Кг'К0+К1т и Кр=К(ГК,ц0.

С учетом зависимостей (5) получаем, что код Кс - определяет величину 2и,„, а код К„- величину Зи^гп&ц,. Таким образом, код Кс про-

порционален постоянному смешению £/ш, а код Кр - дополнительному фазовому сдвигу А<р,.

Код Кс управляет напряжением регулируемого источника постоянного напряжения (РИПН), поступающего на вход сумматора 1)1, и устраняет дополнительное смещение и0/. Код Кр изменяет значение фазового сдвига, вносимого управляемым фильтром Ф1 таким образом, чтобы выполнить условие Дф,-»0.

Аналогично работают и блоки коррекции во втором канале калибратора фазы.

Калибратор фазы позволяет довести дискретность регулирования фазового сдвига до 0,01°. Введение коррекции дает возможность уменьшить погрешность. Такое усложнение прибора целесообразно применять в образцовых приборах высокого класса.

Четвертая глава посвящена программному обеспечению калибратора фазы. Управляющая программа калибратора фазы состоит из программ тестирования отдельных узлов микро-ЭВМ, выдачи сообщения на дисплей, чтения и декодирования клавиатуры, обработки входных данных (частоты, сдвига фазы, числа ступеней аппроксимации), вспомогательных подпрограмм выполнения арифметических и алгебраических операций (например, умножение, сложение, вычисление синуса для трехбайтовых чисел, представленных в форме с плавающей запятой), а также некоторых других подпрограмм.

Работа микро-ЭВМ организована таким образом, что после подачи на нее питания запускается программа тестирования всех основных узлов. Эта программа начинается с ячейки ПЗУ с адресом 0000,„. В результате выполнения теста проверяются правильность записанной в ПЗУ информации и возможность ее верного считывания; содержимое ОЗУ - на отсутствие ошибок при записи/считывании чисел, а также работа всех сегментов дисплея. В случае обнаружения ошибок в ОЗУ или ПЗУ на дисплей выводится соответствующее сообщение: ОЗУ или ПЗУ. При успешном завершении теста микро-ЭВМ проводит обнуление ОЗУ, инициализацию переменных, и на дисплей выводится сообщение: свидетельствующее о переходе в режим ожидания ввода данных (частоты, сдвига фазы, числа ступеней аппроксимации).

В состав программы, управляющей работой калибратора фазы, входят подпрограммы, обслуживающие клавиатуру и дисплей. Так, подпрограмма КРи (адрес 0177) определяет, нажата ли клавиша на клавиатуре, и при любой нажатой клавише устанавливает разряд Ъ

регистра признаков МП БИС в 0, в противном случае - Z=l. Входных параметров программа не имеет.

Подпрограмма KIND (адрес 012В) производит сканирование клавиатуры, определяет факт нажатия клавиши, ее код по таблице и возвращает его. Одновременно подпрограмма KIND дешифрирует выдаваемое сообщение в семисегментный код по таблице и выводит его на дисплей. Входным параметром этой подпрограммы является сообщение, выводимое на дисплей, размещенное в ОЗУ по адресам: 1025Н-1029Н, выходным параметром - код нажатой клавиши в аккумуляторе. При выводе сообщения на дисплей подпрограмма KIND использует подпрограммы SDS (адрес 01 СО) сканирования дисплея и DCD (адрес 01Е5) декодирования сообщений для дисплея. Входной параметр SDS - семи-сегментные коды выводимого сообщения, размещенные по адресам: 1025Н-1029Н. Они же являются выходным параметром подпрограммы DCD, а входными ее параметрами - коды выводимого сообщения, размещенные по адресам: 101ЕН-1022Н.

Дешифрирование в семисешентный код осуществляется с помощью специальной таблицы DCC (адрес 0210) путем прибавления относительного адреса символа к начальному адресу таблицы. Таблица DCC построена так, что при дешифрировании шестнадцатеричных цифр никаких дополнительных преобразований не требуется, т.к. значение цифры есть ее относительный адрес.

Для перезаписи сообщения в область UDSP применяется подпрограмма, вызываемая командой RST3. Входными параметрами ее являются адрес первого байта сообщения, помещенный в паре регистров DE, и сообщение, записанное с этого адреса.

Подпрограмма BLNK (адрес 0297) необходима для очистки дисплея, входных и выходных параметров не имеет.

После принятия символа с клавиатуры программа функционирует следующим образом. Если нажаты клавиши "Ф" (сдвиг фазы), "N" (число ступеней аппроксимации) или "Ч" (частота), то происходит переход к соответствующим подпрограммам ввода числовых значений указанных параметров (FETA, FETB, FETC). Запись введенных значений осуществляется в специально отведенные ячейки ОЗУ: области SF (100А-100Е), CS (1012-1014), СН (1000-1004). Ввод значений должен заканчиваться нажатием клавиши "В К".

После нажатия на клавиатуре клавиши "ВП" ("выполнить") программа приступает к выполнению основной задачи: вычисляет N значений функций Y = sin(x) и Y = sin(x+(p ), где N - число ступеней ап-

проксимации (N=360,72,36,18), а ф - требуемая разность фаз. Вычисленные значения должны быть записаны в специально отведенные ячейки ОЗУ.

В процессе вычислений для обеспечения наибольшей точности результата используется представление двоичных чисел с плавающей запятой со смещенным порядком и мантиссой в дополнительном коде, причем числа имеют трехбайтный формат обычной точности. Ниже изображен трехбайтный формат двоичного числа с плавающей запятой обычной точности.

7 6 5 4 3 2 1 0

Sm ПОРЯДОК (+4 ОН)

МАНТИССА (СТБ)

МАНТИСС А (МЛБ)

Над рамкой формата проставлены номера двоичных разрядов байта. Число хранится в памяти микропроцессорной системы в виде трех байтов. Первый байт числа в старшем разряде содержит знак мантиссы S и смещенный порядок (смещение равно 64 ш= 4016), а два остальных байта - СтБ и МлБ мантиссы. Так называемый "смещенный порядок" используется для существенного упрощения операций над порядками (сложения, вычитания, сравнения), т.е. вместо знакового представления (например, в дополнительном коде) используется беззнаковое представление в виде неотрицательных чисел.

Основная программа в процессе вычислений использует ряд подпрограмм: подпрограмму вычисления синуса SIN (адрес 0400), подпрограмму сложения FADD (адрес 04А8) и умножения FMPY (адрес 055С), подпрограмму преобразования вычисленного значения синуса для записи в ОЗУ - SDW (адрес 0650), подпрограммы преобразования типов для сдвига фазы PTF (06В0) и для числа ступеней аппроксимации PS (0740) и некоторые другие подпрограммы.

Алгоритм подпрограммы вычисления синуса использует разложение функции y=sin х в ряд Тейлора:

X X3 г5 X7 X9

Sinjc =----b----h--... (6)

1! 3! 5! 7! 9!

с радиусом сходимости R=oo. Определим количество членов ряда (6), необходимое при вычислении функции с точностью до четырех значащих

десятичных цифр, т. е А =0,58* Ю"4, для диапазона аргумента [-Я 14, U 14]. Подставляя в ряд (6) значение х=7С /4~ 0,7854, найдем, что отбрасывание члена х/7! вносит - погрешность 0,378* 10 4 <Д. Поэтому для вычисления функции y=sinx в заданном диапазоне и с требуемой точностью достаточно взять (с запасом) первые четыре члена ряда (6) с

коэффициентами: 1/1!=1, -1/3! = -0,1667, 1/5!=0,83338*10~2 и -1/7!=-0,19848* 10 ~3.

Этот метод вычисления синуса положен в основу подпрограммы "SIN". Для нахождения синуса при значениях аргумента вне диапазона [-тс /2, К /2] используются формулы приведения: sinx=sin(7t -х)=-sin(7T +x)=-sin(27r -х) И 5Ínx=S¡n(x Mv<:2 71 ).

Входные параметры подпрограммы - аргумент, представленный в форме трехбайтного двоичного числа в дополнительном коде с плавающей запятой, в регистре С должен находиться смешенный порядок, а в регистрах D и Е - мантисса.

Выходные данные - вычисленное значение синуса - в тех же регистрах.

При вычислении синуса приходится выполнять операции сложения и вычитания чисел с плавающей запятой. Операцию вычитания чисел с плавающей запятой, представленных в дополнительных кодах, можно свести к операции сложения уменьшаемого с дополнительным кодом вычитаемого. Поэтому используется только подпрограмма сложения, которая выполняет сложение и вычитание чисел в зависимости от знаков слагаемых.

В результате выполнения программы вычисления синуса получаем, как уже описывалось, число, представленное тремя байтами в формате с плавающей запятой, где один байт занимает "смещенный" порядок, а два других - мантисса в дополнительном коде, причем старший бит в байте порядка отведен под знак числа. Но в таком виде вычисленные значения непригодны для дальнейшей работы калибратора фазы. Число должно быть преобразовано в формат, содержащий 13 разрядов (для 12-разрядных ЦАП), один из которых отведен под знак, а двенадцать - это дробное двоичное число (значение синуса) с фиксированной запятой, причем подразумевается, что запятая фиксирована перед старшим знаковым разрядом.

Подпрограмма и выполняет такое преобразование вычисленных значений из одного формата в другой. Входные данные этой подпрограммы - число в формате с плавающей запятой, содержащееся в регистрах С,В,Е. Выходные данные (регистры Б.Е) - число с фиксированной запятой, представленное тринадцатью разрядами в формате, изображенном на рисунке, приведенном ниже.

Регистр D Регистр Е

7 6 5 4 3 2 1 0 7 6 5 4 3 i 2 1 0

Двоичное представление дробной части знак

Программа функционирования калибратора фазы включает в себя также подпрограммы преобразования представлений чисел, а именно: PTF - подпрограмму преобразования значения сдвига фазы и PS -подпрограмму преобразования значения числа ступеней аппроксимации.

Входные данные подпрограммы PTF - 5 байтов (последовательные ячейки памяти ОЗУ с адресами SFO, SFO+1, SFO+2, SFQ+3, SF0+4) -двоично-десятичные числа, записанные в ОЗУ после ввода значения сдвига фазы с клавиатуры.

Выходные данные - 3 байта (ячейки ОЗУ с адресами SF1, SF1+1, SF1+2) - представление того же значения сдвига фазы в двоичном виде с плавающей запятой, т.е. первый байт - знак мантиссы и порядок, второй и третий байты - мантисса в дополнительном коде.

Подпрограмма преобразования числа ступеней аппроксимации PS преобразует число, введенное с клавиатуры (360, 072, 036, 018), представляющее собой три байта двоично-десятичных чисел CS, CS+Í, CS+2, в один байт CS1 - шестнадцатеричное число (01, 05, 0А или 14), соответствующее шагу, с которым будут производиться вычисления значений функции синуса.

Основные выводы и результаты работы:

1. Обоснованы актуальность и практическое значение разработок прецизионных калибраторов фазы, пригодных для использования в составе цифровых автоматизированных систем и цифровых измерительных приборов.

2. Проведены разработки прецизионных калибраторов фазы, основанные на принципе последовательного суммирования двух гармонирующих колебаний с фазовым сдвигом, равным дискретности соответствующего разряда, в котором исключены методические погрешности.

3. На основе математически;; методов обработки сигналов разработан сигнальный процессор с расширенными функциональными возможностями. Разработан калибратор фазы со встроенным микроконтроллером на основе двухфазных генераторов со ступенчатой аппроксимацией гармонических колебаний через равные интервалы, где исключено влияние быстродействия микроконтроллера на выходные параметры калибратора фазы.

4. Разработан способ устранения погрешностей цифровых двухфазных генераторов, который позволяет повысить метрологические характеристики прибора за счет коррекции постоянной составляющей выходного сигнала и начального фазового сдвига.

5. Созданы эффективные алгоритмы работы микроконтроллера функционального сигнального процессора. Разработано программное обеспечение микроконтроллера сигнального процессора, обеспечивающее высокие метрологические характеристики его выходных параметров.

6. Изготовлен и аттестован в качестве образцовой меры фазового сдвига калибратор фазы и внедрен в БашЦСМ и С, разработаны калибраторы фазы с применением однокристальной микроЭВМ и персонального компьютера типа IBM/PC.

Содержание работы отражено ib следующих публикациях:

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

2. Калибратор фазы, управляемый кодовым сигналом / Сапельников В.М., Муфтахов A.M., Копанев А.Г., Максутов А.Д., и др.// ПТЭ. - 1980. - № 5. - С. 243-244.

3. A.c. 763815 СССР, МКИ G 01R 25/04. Калибратор фазы / Сапельников В.М., Муфтахов A.M.. Копанев А.Г. Максутов А.Д. -Опубл. 15.09.80, Бюл.№ 34.

4. Цифровой генератор синусоидального сигнала / Сапельников В.М., Тарасов В.В.. Муфтахов A.M., Максутов А.Д. // ПТЭ. - 1985. - № 5.-С. 93-94

5. A.c. 1242848 СССР, МКИ G 01R 25/04. Цифровой калибратор фазы / Сапельников В.М., Максутов А.Д., Тарасов В.В., Бикбулатов H.H. - Опубл. 86, Бюл. № 25.

6. A.c. 1352402 СССР, МКИ G OIR 25/04. Цифровой калибратор фазы / Сапельников В.М., Максутов А.Д., Тарасов В.В. - Опубл. 87. Бюл. №42

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

8. Сапельников В.М., Максутов А.Д. Применение ЭВМ для контроля знаний по микропроцессорной технике. III конференция стран Содружества "Современный физический практикум" // Тезисы докладов. -М.: 1995.-С. 173-174.

9. Сапельников В.М., Максутов А.Д., Матвеева JI.M. Компьютеризация обучения учителей физики, информатики и вычислительной техники. Научная конференция по программе "Университеты России": Труды конференции. / Издание Башкирск. Ун-та. - Уфа, 1995. - С. 115119.

10. Сапельников В.М. Максутов А.Д. Прецизионный калибратор фазы, управляемый встроенной микро-ЭВМ. Тезисы докладов 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.

11. Максутов А.Д.. Тарасов В.В., Сапельниов В.М. Калибратор фазы со встроенным микроконтроллером на однокристальной микроЭВМ К1816ВЕ51//Вестник Башкирского университета. 1996, - № 2 (1), -С. 20-22.

12. Максутов А.Д., Тарасов В.В., Сапельников В.М. Электронные блоки прецизионного калибратора фазы, управляемого встроенной микро-ЭВМ // Вестник Башкирского университета. 1996, - № 3 (1). - С. 21-24.

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

14. Максутов А.Д., Тарасов В.В., Сапельников В.М. Электронные блоки прецизионного калибратора фазы, управляемого встроенной микро-ЭВМ. Тезисы докладов научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" (Датчик-97).т.2, -Гурзуф, 1997.-С. 435-436.

15. Сапельников В.М. Максутов А.Д. Цифровой калибратор фазы с коррекцией погрешностей // Межвузовский сборник научных статей "Нефть и газ". Вып. З.-Уфа, 1998.-С. 65-67.

БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Максутов Амир Даутович

РАЗРАБОТКА АППАРАТНЫХ И ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ ЦИФРОВЫХ КАЛИБРАТОРОВ ФАЗЫ

05.13.16- Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Сапельников. В.М.

Уфа 1998

Л КУ

✓ с

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................4

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

1.1 .Фазовращатели. Структуры фазовращателей........................................15

1.1.1 .Делитель напряжения (измерительный преобразователь)

и его применение в фазовращателях..............................................16

1.1.2.Фазовращатели, использующие делители с

параллельно соединенными входами.............................................17

1.1.3.Фазовращатели на каскадно соединенных

делителях напряжения.....................................................................21

1.1.4.Фазовращатели на делителях напряжения с последовательно соединенными выходами...................................23

1.1.5.Фазовращатели, использующие делители

напряжения, с параллельно соединенными выходами................27

1.1.6.Фазовращатели на делителях напряжения с последовательно соединенными выходами...................................30

1.1.7. Электромеханические фазовращатели.........................................33

1.1.8. Классификация фазовращателей...................................................34

1.2.Калибраторы фазы с поразрядным регулированием

фазового сдвига.........................................................................................35

1.2.1 .Калибратор фазы на линиях задержки............................................35

1.2.2.Калибратор фазы на трансформаторных делителях......................36

1.2.3.Фазовращатель на делителях напряжения с шунтирующими декадами.................................................................38

1.2.4. Мостовой дискретный фазовращатель...........................................38

1.2.5. Эффект сверхглубокого деления частоты и его использование в точных измерениях фаз электрических сигналов.............................................................................................41

1.2.6. Государственная поверочная схема для средств измерений угла фазового сдвига между двумя электрическими напряжениями в диапазоне частот 1-Ю"3 2 -107 Гц....................45

Выводы по главе 1..............................................................................................49

ГЛАВА 2. Дискретные калибраторы фазы, управляемые цифровым кодом

2.1.Калибратор фазы с линейным преобразованием

управляющего кода в фазовый сдвиг...........................................................51

2.2. Цифроуправляемый прецизионный калибратор фазы........................56

2.2.1 Анализ погрешностей прецизионного калибратора фазы............62

2.2.2. Результаты испытаний калибратора фазы.....................................66

Выводы по главе 2..........................................................................................73

ГЛАВА 3. Двухфазные генераторы со ступенчатой аппроксимацией гармонических колебаний

3.1. Цифровой генератор синусоидального сигнала...................................74

3.2. Цифровой калибратор фазы в стандарте КАМАК...............................82

3.3.Цифровой калибратор фазы со

встроенным программируемым микроконтроллером..........................94

3.4.Цифровой калибратор фазы с коррекцией погрешностей.................100

3.4.1. Электронные блоки Зкалибратора фазы с коррекцией

погрешностей..................................................................................106

Выводы по главе 3........................................................................................113

ГЛАВА 4. Программное обеспечение калибратора фазы............................115

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................................152

ЛИТЕРАТУРА...................................................................................................154

ВВЕДЕНИЕ

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 и метрологии - основы совершенствования современного производства, повышения эффективности технологических процессов, улучшения качества продукции [1].

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 (туф) 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 ° измерение количества наносимых материалов определяется с погрешностью 0,5 % [27].

Чистые кристаллы выращиваются при высоких температурах, например, при 1473 0 ± 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].

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

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, преобразующие фазовые соотношения в амплитудные [39].

Использование фазовых методов при измерении частоты позволяет осуществить сравнение эталонных частот с погрешностью 1-Ю"12 [40].

Суммарное и наглядное представление с применением фазовых измерений во всех отраслях науки и техники дает круговая диаграмма, составленная в работе [27].

Большой вклад в разработку фазометрической аппаратуры внесли С.А.Кравченко, Е.Д.Колтик, О.П. Галахова, Л.Ф. Куликовский, В.Ю. Кнеллер, А.М.Мелик-Шахназаров, Н.М.Вишенчук, А.Ф.Котюк, П.Т.Смирнов, М.КЛмых, Н.П.Орнатский, Ю.А.Скрипник, С.М.Маевский, С.С.Кузнецкий, В.Я.Супьян, В.В.Смеляков, А.В.Косинский. 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. Pihl. Большой вклад в развитие образцовой фазометрической аппаратуры вносят R.S. Turel, D.T. Hess, K.K. Clarke, P.Tobola, J. Velecky, G.N. Stenbakken [280283].

В 1962 г. Е.Д.Колтик создал образцовую аппаратуру для поверки фазометров - калибраторы фазы КФ-1 и КФ-3 на диапазон частот от 20 Гц до 100 кГц с погрешностью 0,2 - 0,15 ° [41].

Важное место среди измерительно-информационных устройств общетехнического назначения занимают приборы, использующие компенсационный метод измерения.

BW W \J

многочисленной отечественной и иностранной литературе освещены вопросы компенсационных измерений на переменном токе электрических, магнитных и неэлектрических величин в различных отраслях науки, техники и обороны [44, 46, 48, 88, 96,120, 122, 168, 167, 183], в том числе и в нефтяной промышленности [44, 88, 120, 129,130].

Так, автоматические компенсаторы переменного тока используются при измерении электропроводности глинистых растворов и буровых вод (автоматический солемер), при измерении расхода глинистого раствора электромагнитным датчиком [129, 191]; для контроля и регулирования процессов разведочного бурения в комплекте с магнитоупругими и

индуктивными датчиками датчиками (ИРБ-5, ИРБ-4 и ПМК) [129], для исследования динамических свойств автоматических измерительных приборов. В процессе бурения и эксплуатации скважин, в частности, для измерения веса бурового инструмента.

Круговая диаграмма, показывающая области применения фазовых измерений в народном хозяйстве

В связи с развитием электро-, радио- и телеизмерений чрезвычайно обширен и комплекс вопросов, которые решаются или могут быть решены измерением сдвигов фаз.

Так, в системах автоконтроля и телеизмерений авиационной, нефтяной и космической промышленности широкое распространение получили индуктивные и емкостные датчики, сельсины и вращающиеся трансформаторы и т.д., выходную величину которых получают в виде фазового сдвига синусоидального напряжения [65, 129, 134, 135, 204]. В комплекте с такими датчиками по рекомендации [199] целесообразно использовать автоматические цифровые фазометры.

Принимая во внимание, что имеется большое разнообразие индикаторов, чувствительных к нулевому или девяностоградусному фазовому сдвигу, [50, 70, 80, 130, 132, 144, 184, 194], многие вопросы, связанные с измерением фазовых сдвигов, могут быть решены с помощью прецизионных фазовращателей. Однако широко распространенные фазовращатели (емкостные, потенциометрические с синусно-косинусными потенциометрами, электромеханические с синусно-косинусными вращающимися трансформаторами) имеют дискретность отсчета фазы порядка 1°. Сравнительно низкая точность связана с механическим выполнением элементов указанных фазовращателей. Отсутствие достаточно точных и удобных в работе фазовращателей привело, например, к тому, что при контроле некоторых технологических процессов конструкторы приборов часто вынуждены отказаться от более простого метода, связанного с измерением фазовых сдвигов, и использовать сложные частотные методы.

Таким образом, повышение точностных и эксплуатационных характеристик фазовращателей является весьма актуальной задачей, решение которой, как показывает практика, требует разработки новых схем фазовращателей и методов их построения.

Основная цель работы заключается в создании калибраторов фазы с поразрядным регулированием фазового сдвига и высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками, пригодными для использования как в качестве образцовых мер фазового сдвига, так и в радиоэлектронной аппаратуре в качестве фазовращателей с дискретным, поразрядным регулированием фазового сдвига.

Для достижения поставленной цели потребовалось:

Разработать на базе современной цифровой и микропроцессорной техники принципиальные схемы построения дискретн