Устройство для определения соотношений фаз двух синусоидальных сигналов

 

Применение: изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам определения соотношения фаз, в частности к устройствам определения различия в синфазности и противофазности двух синусоидальных сигналов одной частоты, и предназначено преимущественного использования в прецизионных устройствах, когда измерения проводятся в инфранизкочастотном диапазоне, и амплитуды сигналов могут значительно различаться между собой и меняться в широких пределах. Сущность изобретения: устройство содержит блок 1 деления, блок 2 выделения экстремумов, блок 3 сравнения, компаратор 4, первую и вторую входные шины, выходную шину с соответствующими связями. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам определения соотношения фаз, в частности к устройствам определения различия в синфазности и противофазности двух синусоидальных сигналов напряжения или тока одной частности, и предназначено для преимущественного использования в прецизионных устройствах, когда измерения проводятся в инфранизкочастотном диапазоне, и амплитуды сигналов могут значительно различаться между собой и меняться в широких пределах.

Известны различные устройства определения соотношения фаз двух синусоидальных сигналов при измерениях сдвигов фаз [1-3] Такие устройства характеризуются значительной сложностью из-за большого количества вспомогательных устройств и элементов, использующихся для формирования дополнительных импульсов в определенные моменты времени, сравнения временных интервалов, определения коэффициентов модуляции, корреляции и осуществления других функциональных преобразований. Такие устройства имеют значительные погрешности измерений при малых фазовых сдвигах и близких к 180^о их абсолютных значений, а также при малой амплитуде хотя бы одного из сигналов, частота которых лежит в инфранизкочастотном диапазоне.

В указанных условиях возрастает погрешность идентификации синфазности и противофазности из-за того, что на инфранизких частотах существенно уменьшается скорость изменения сигналов, время срабатывания пороговых устройств становится неоднозначным, что особенно проявляется при малых значениях амплитуд (или амплитуды хотя бы одного из сигналов), при этом длительности формируемых дополнительных импульсов имеют значительный разброс, что в целом увеличивает погрешность измерений.

Известно устройство более простое по конструкции, содержащее основные и дополнительные формирователи, два триггера и логические элементы И-НЕ [4] Устройство характеризуется недостаточной точностью измерения при малых амплитудах сигналов в инфранизкочастотном диапазоне, когда требуется идентифицировать синфазность и противофазность исследуемых сигналов.

Известно устройство, содержащее интегрирующее устройство, дифференцирующее устройство, умножитель и регистрирующее устройство нуль орган или компаратор. Входные сигналы, соответственно интегрируются, дифференцируются, после чего перемножаются и поступают на регистрирующее устройство, которое имеет на выходе сигнал, равный нулю при соотношениях фаз между синусоидальными сигналами 0 или 180^о [5] Недостатком устройства является значительное возрастание погрешности в идентификации синфазности при малых амплитудах исследуемых сигналов в инфранизкочастотной области.

Этот недостаток свойственен всем устройствам порогового типа, принцип работы которых основан на сравнении исследуемого напряжения с порогом, и погрешность обусловлена неопределенностью времени срабатывания соответствующих блоков устройства при работе в указанных условиях.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому по большему количеству сходных технических решений является устройство для определения соотношения фаз двух синусоидальных сигналов, содержащее три формирователи импульсов, один из которых является компаратором, подключенных к трем входам устройства, два из которых сигнальные, а третий опорный, счетчик импульсов, генератор, регистры и блок сравнения, подключенный к выходу устройства [6] Это устройство неэффективно на инфранизких частотах и при изменении амплитуд сигналов в большом динамическом диапазоне, так как при этом уменьшается скорость изменения сигнала и возникает погрешность при формировании опорных импульсов. Кроме этого устройство позволяет определять только знак разности фаз двух синусоидальных сигналов и не различает синфазность и противофазность исследуемых сигналов.

Целью изобретения является повышение точности при расширении функциональных возможностей.

Указанная цель в устройстве для определения соотношения фаз двух синусоидальных сигналов, содержащем компаратор и блок сравнения, достигается тем, что оно дополнительно содержит блок деления и блок выделения экстремумов, причем два входа блока деления один для сигнала-делимого, другой для сигнала-делителя, подключены к двум входам устройства, к выходу блока деления подключены первый вход компаратора и вход блока выделения экстремумов, первый и второй выходы которого подключены, соответственно, к первому и второму входам блока сравнения, выход которого соединен со вторым входом компаратора, выход которого подключен к выходу устройства; блок выделения экстремумов содержит блок выделения модуля и два амплитудных детектора, причем вход блока выделения экстремумов подключен ко входу блока выделения модуля, к выходу которого подключены входы первого и второго амплитудных детекторов, выходы последних двух подключены к первому и второму выходам блока выделения экстремумов, соответственно.

Существо изобретения заключается в том, что, совершая деление величин исследуемых сигналов друг на друга, однозначно различают синфазность и противофазность этих сигналов по знаку сигнала-частного при отсутствии различия между экстремальной величиной сигнала-частного и любой другой его величиной внутри исследуемого полупериода сигнала-делителя.

При делении двух синусоидальных сигналов одной частоты сигнал-частное представляет собой функцию времени f(t) [Asin(wt + F1)]/[Bsin (wt + F2)] (1) где Bsin(wt + F2) 0; F1 и F2 фазы двух исследуемых сигналов; А и В амплитуды исследуемых колебаний. Функция f(t) будет периодической прерывной функцией и по виду напоминать функции тангенсов или котангенсов.

В случае F1 > F2, F2 0 выражение (1) можно записать следующим образом для K > 0, 0 < F_o < /2 и K < 0, /2 < F_o < : f(t) K[cosF_o + sinF_o ctg(2 t/T)] (2) где T 2 /w; F_o разность фаз между исследуемыми колебаниями.

А в случае F2 > F1, F1 0 можно записать для K > 0, /2F_o < 0 и K < 0, < F_o < /2: f(t) K{1/[cosF_o + sinF_o ctg(2 t/T)] (3)
Положив F_o 0 (условие синфазности), будем иметь значения sinF_o 0, сosF_o 1. Подставляя эти значения в выражения (2) и (3), получаем соответственно
f(t) [K + K(0/tgwt)] K (4)
f(t) K/[1 + 0ctg(2 t/T)] K (5)
Положив F_o 180 (условие противофазности) будем иметь значения sin F_o 0, cos F_o -1. Подставляя их в выражения (2) и (3), получим соответственно
f(t) [-K+K(0/tgwt)] -K (6)
f(t) K/[-1+0ctg2 t/T) -K (7)
Следовательно, в случае синфазности и противофазности, получим функцию f(t) в виде прямой линии, численно равной значению К, т.е. f(t) K. При малых отклoнениях от идеальной синфазности и противофазности к полученным значениям +К будет добавляться значение, образованное из вторых слагаемых, заключенных в квадратные скобки выражений (4)-(7), в которых вместо нуля подставляются значения sinF_o. Так как значения tgwt и ctgwt рассматриваются на интервале полупериода сигнала-делителя, то есть 0 < wt < 180, то значения слагаемых, которые прибавляются или вычитаются из значений К выражений (4)-(7), будут максимальны по абсолютной величине в начале и в конце рассматриваемого полупериода.

Таким образом, по знаку сигнала-частного различают синфазность и противофазность исследуемых сигналов. При малых отклонениях от синфазности и противофазности двух синусоидальных сигналов значения функции f(t) сигнала-частного в начале или конце каждого рассматриваемого полупериода будут отклоняться от значений К. Экстремальное (максимальное или минимальное) значение сигнала-частного в сравнении с любым другим на данном интервале внутри рассматриваемого полупериода будет указывать на синфазность и противофазность при отсутствии различий между собой с учетом ошибки выбранного метода сравнения.

На фиг.1 показана функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 функциональная схема блока выделения экстремумов.

Предлагаемое устройство содержит блок 1 деления, блок 2 выделения экстремумов, блок 3 сравнения, компаратор 4.

Блоки в устройстве соединены между собой следующим образом.

Первый и второй входы блока 1 деления подключены к первому и второму входам устройства соответственно. К выходу блока 1 деления подключен вход блока 2 выделения экстремумов, первый и второй выходы которого подключены к первому и второму входам блока 3 сравнения, соответственно. Выход последнего соединен с вторым входом компаратора 4, первый вход которого подключен к выходу блока 2 деления, а выход к выходу устройства.

Блок выделения экстремумов содержит блок 5 выделения модуля, первый и второй амплитудные детекторы 6 и 7.

Вход блока 2 выделения экстремумов подключен к входу блока 5 выделения модуля, к выходу которого подключены входы детекторов 6 и 7. Выходы детекторов 6 и 7 подключены к первому и второму выходам блока 2 соответственно.

Устройство для определения соотношения фаз двух синусоидальных сигналов работает следующим образом.

Входные сигналы в виде синусоидальных напряжений U_x(t) и U_y(t) поступают на первый и второй входы блока 1 деления, причем напряжение U_x(t) является сигналом-делимым, а напряжение U_y(t) является сигналом-делителем. На выходе блока деления получают напряжение U1, пропорциональное частному от деления U_x(t)/U_y(t). Это напряжение поступает на блок 2 выделения экстремумов. Напряжение U1 в течение каждого интервала времени, соответствующего полупериоду сигнала-делителя Uy(t), изменяется в соответствии с видом функции f(t), рассмотренной в (1)-(7). На краях каждого рассматриваемого интервала времени напряжение U1 будет принимать экстремальные значения. Напряжение U1 поступает на устройство 5 выделения модуля, на выходе которого получают напряжение, равноеU1|Это напряжение поступает на входы первого и второго амплитудных детекторов 6 и 7. На выходе первого амплитудного детектора 6 выделяется максимальный сигнал, равныйU1|max, на выходе второго амплитудного детектора 7 выделяется минимальный сигнал, равныйU1| min.

Таким образом, на первом выходе блока 2 выделения экстремумов будут выделяться, максимальные по модулю напряжения U2maxU1| max, а на втором его выходе будет выделяться минимальные по модулю напряжения U2minU1|min. Эти напряжения U2max и U2min поступают на первый и второй выходы блока сравнения 3, соответственно, который сравнивает эти напряжения по модулю. При синфазности или противофазности исследуемых сигналов абсолютные значения напряжений U2max и U2min будут близки по величине, и на выходе блока сравнения 3 получают напряжение U3, к примеру, логического нуля, соответствующее условию синфазности и противофазности: U2max|U2min| < U (пороговое) (8)
При невыполнении условия (8) на выходе блока сравнения 3 будет напряжение U3 логической единицы, которое поступает на второй (управляющий) вход компаратора 4. Это управляющее напряжение U3 логической единицы блокирует выходной каскад компаратора 4 и на его выходе получают напряжение U4 0.

При выполнении условия (8) синфазности и противофазности U3 имеет напряжение логического нуля, которое переводит компаратор 4 в режим измерения, и на его выходе получают, к примеру, положительное напряжение при синфазности и отрицательное напряжение при противофазности исследуемых сигналов. Таким образом, происходит идентификация синфазности и противофазности по знаку выходного сигнала компаратора 4.

Если необходимо идентифицировать только синфазность или только противофазность, можно ограничиться, к примеру, выходным сигналом напряжения U4 логической единицы при выполнении условия (8) и логического нуля при невыполнении этого условия.

Если снимать сигнал с выхода блока 3 сравнения, то напряжение U3 будет указывать на присутствие синфазности или противофазности, не различая их.

К примеру, если в качестве блока сравнения использовать параллельный сумматор, то при синфазности или противофазности на его выходе при вычитании модулей его входных сигналов будет напряжение U3, близкое к нулю.

Следует отметить, что блок выделения экстремумов можно построить различными способами, имея на выходах напряжения одного или разных знаков. Выделяя и сравнивая экстремальные значения напряжений U1, обеспечивается максимальная чувствительность устройства. На фиг.2 показан вариант, когда используются блок выделения модуля и два амплитудных детектора один для выделения максимального сигнала, другой для выделения минимального сигнала. Возможны варианты и для блока сравнения параллельный сумматор или компаратор, или блок деления.

Устройство выполнено на стандартных элементах по известным схемам, например: блок деления 1 [7a] блок 2 выделения экстремумов с помощью блока выделения модуля и двух амплитудных детекторов по схемам [7б,в] блок сравнения 3 [7г] компаратор со стробированием 4 [7д] или с выходным каскадом, аналогичным [7е]
Предлагаемое устройство не только позволяет четко определять синфазность и противофазность исследуемых сигналов по сравнению с прототипом, но и имеет существенные преимущества перед другими устройствами по своей простоте и точности, особенно в инфранизкочастотном диапазоне даже тогда, когда амплитуды исследуемых колебаний значительно различаются между собой, изменяясь в большом динамическом диапазоне.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СООТНОШЕНИЙ ФАЗ ДВУХ СИНУСОИДАЛЬНЫХ СИГНАЛОВ, содержащее компаратор и блок сравнения, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит блок деления и блок выделения экстремумов, причем два входа блока деления один для сигнала-делимого, другой для сигнала-делителя - подключены к двум входам устройства, к выходу блока деления подключены первый вход компаратора и вход блока выделения экстремумом, первый и второй выходы которого подключены соответственно к первому и второму входам блока сравнения, выход которого соединен с вторым входом компаратора, выход которого подключен к выходу устройства.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок выделения экстремумов содержит блок выделения модуля и два амплитудных детектора, причем вход блока выделения экстремумов подключен к входу блока выделения модуля, к выходу которого подключены входы первого и второго амплитудных детекторов, выходы которых подключены к первому и второму выходам блока выделения экстремумов соответственно.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2