Устройство для измерения фазовых сдвигов между синусоидальными сигналами

 

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к устройствам для измерения фазовых сдвигов двух синусоидальных электрических сигналов, и может быть использовано преимущественно в инфранизкочастотном диапазоне при калибровке измерительных каналов и обработке регистрируемых сигналов, изменяющихся в большом динамическом диапазоне. Сущность изобретения: устройство содержит блоки выборки-хранения (1, 2), формирователь управляющих импульсов (3), тригонометрический преобразователь (4), блок определения знака разности фаз (5), блок преобразования (6), первую и вторую входные шины, выходную шину с соответствующими связями. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к устройствам для измерения фазовых сдвигов двух синусоидальных электрических сигналов, и может быть использовано преимущественно в инфранизкочастотном диапазоне при калибровке измерительных каналов и обработке регистрируемых сигналов, изменяющихся в большом динамическом диапазоне.

К устройству предъявляются требования обеспечения высокой точности измерения фазовых сдвигов от -/2 до +/2 при относительно простой конструкции.

Известно простое устройство определения сдвига фаз [1] содержащее перемножитель этих исследуемых сигналов и устройство, выделяющее постоянную составляющую, полученную от перемножения сигналов. Величина напряжения этой постоянной составляющей пропорциональна абсолютному значению фазового сдвига.

Устройство характеризуется незначительной точностью определения малых фазовых сдвигов, особенно в инфранизкочастотной области, из-за необходимости выделять постоянную составляющую с высокой точностью, полученную от перемножения сигналов.

Более сложные устройства позволяют повысить точность.

В [2] рассмотрено устройство для измерения фазового сдвига между двумя напряжениями, содержащее два ключевых детектора и общий вспомогательный гетеродин-генератор синуса с частотой, близкой к частоте, в кратное число раз большей частоты измеряемых колебаний, а также преобразователи синуса в остроконечные импульсы и фильтры нижних частот, выделяющие огибающую, а измеряют фазометром разность фаз между огибающими, которая равна искомой разности фаз, умноженной на коэффициент кратности между частотой генератора и частотой исследуемого сигнала.

Такое устройство измеряет вместо искомого значения разности фаз другие значения разности фаз, при этом измеряют также и отношение частот, поэтому точность измерения малых фазовых сдвигов такого устройства невысока.

В [3] предложено устройство для измерения фазового сдвига двух синусоидальных сигналов, содержащее модулятор, генератор несущей частоты, фильтр низкой частоты, регистратор, демодулятор, множительное устройство, которое имеет преимущество перед [2] однако оно является невысоким по точности, так как используется много промежуточных действий модуляция, демодуляция, перемножение.

Точность измерений малых фазовых сдвигов существенно снижается при уменьшении амплитуды исследуемых сигналов.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому по большему количеству сходных технических признаков является устройство [4] содержащее фильтрующие устройства, отделяющие синусоидальные сигналы от постоянной составляющей, фазосдвигающие блоки, которые сдвигают оба сигнала на угол /2 в сторону опережения, и аналоговый запоминающий блок с устройствами выборки и хранения, который измеряет и запоминает четыре мгновенных сигнала в одно и то же время (два после фильтра и два после фазосдвигающих блоков), а разность фаз определяют с помощью решающего блока, который реализует математическую зависимость .

Как видно из этого выражения, для определения малых фазовых сдвигов решающий блок содержит формирователь импульсов, вход которого соединен с одним из входов устройства, функциональный преобразователь устройство для извлечения корня квадратного из суммы квадратов двух величин, последовательно соединенные блок деления, тригонометрический преобразователь и управляемый инвертор, подключенный к выходу устройства.

В результате погрешность измерения малых фазовых сдвигов будет велика, особенно в области инфранизких частот, из-за наличия составляющих погрешностей от дополнительных фазовых сдвигов и необходимости измерений значений корня квадратного из суммы квадратов двух величин.

Целью изобретения является повышение точности измерений.

Цель в устройстве для измерения фазовых сдвигов между синусоидальными сигналами, содержащем первый и второй блоки выборки-хранения, причем информационный вход первого блока выборки-хранения подключен к первой входной шине устройства, вторую входную шину, тригонометрический преобразователь, первый вход которого подключен к выходу первого блока выборки-хранения, блок преобразования, информационный вход которого подключен к выходу тригонометрического преобразователя, а выход к выходной шине устройства, достигается тем, что оно дополнительно содержит формирователь управляющих импульсов и блок определения знака разности фаз, причем их первые и вторые входы попарно соединены между собой и подключены к первой и второй входным шинам устройства соответственно, первый и второй выходы формирователя управляющих импульсов подключены к управляющим входам первого и второго блоков выборки-хранения соответственно, выход второго блока выборки-хранения подключен к второму входу тригонометрического преобразователя, выход блока определения знака разности фаз подключен к управляющему входу блока преобразования, формирователь управляющих импульсов содержит два фазовращателя, три компаратора, элемент ИЛИ и элемент И-НЕ, причем вход первого фазовращателя подключен к первому входу формирователя управляющих импульсов, а вход второго фазовращателя и вход первого компаратора подключены к второму входу формирователя управляющих импульсов, последовательно с первым фазовращателем включен второй компаратор, выход которого подключен к первому входу элемента ИЛИ, последовательно с вторым фазовращателем включен третий компаратор, выход которого подключен к второму входу элемента ИЛИ, выход которого подключен к первому входу элемента И-НЕ, второй вход которого подключен к выходу первого компаратора, выходы элемента ИЛИ и элемента И-НЕ являются первым и вторым выходами формирователя управляющих импульсов соответственно.

Устройство использует способ определения сдвига фаз двух синусоидальных сигналов, в соответствии с которым анализируют мгновенные значения отфильтрованных сигналов X(t) и Y(t), при этом измеряют два мгновенных значения одного из сигналов, принятых за измерительный, в моменты времени t1 и t2, равноотстоящие от крайнего положения и середины полуволны другого сигнала, принятого за опорный, а значения сдвига фаз F0 определяют по формуле Fo = m (g+n), где g arctg I[X(t01)/X(t1)]I для случая, когда измеряемый сигнал X(t) опережает по фазе опорный сигнал Y(t); g -arctg I[X(t01)/X(t1)] I для случая, когда измеряемый сигнал X(t) отстает по фазе от опорного сигнала Y(t); n 0, m 1 для синфазных сигналов, ; m -1, n -1 при g>0 или n 1 при g<0 для противофазных сигналов, .

Определение сдвига фаз производят между двумя синусоидальными сигналами, которые можно записать в виде X(t) = A1sin (t+F1); (1) Y(t) = A2sin (t+F2) , (2) где A1 и A2 амплитуды исследуемых сигналов;
F1 и F2 начальные фазы сигналов.

Запишем отношение этих сигналов через функцию f(t):
f(t) = A1 sin (t+F1)/A2sin(t+F2),
Преобразовав это выражение и обозначив K A1/A2, запишем сигнал-частное f(t) в виде
f(t) = K (sintcosF1+sinF1cost)/(sintcosF2+sinF2cost). (3)
Поделив числитель и знаменатель (3) на cost 0,, получим
f(t) = K (tgtcosF1+sinF1)/(tgtcosF2+sinF2). (4)
Для определения разности фаз F0 между сигналами X(t) и Y(t) примем значение начального фазового сдвига F2= 0 при F1>F2, тогда выражение (4) перепишем в виде
f(t) = K[cosFo+(sinFo/tgt)]. (5) (5)
Разделив числитель и знаменатель в (5) на K, получим
f(t)/K = cosFo+(sinFo/tgt). (6) (6)
Рассмотрим выражение (6) в момент времени t1, когда значение t1 соответствует моменту времени, соответствующему середине полуволны сигнала-делителя, то есть t1 T/4, где T/4=/2. В этом случае знаменатель второго слагаемого обращается в ноль, так как tg/2/2 стремится к бесконечности, следовательно,
f(t1)/K cos F0. (7)
Представим функцию f(t) через значения сигналов, то есть f(t) X(t1)/Y(t1), тогда выражение (7) запишем так:
[X(t1)/Y(t1)]/X(t2)/Y(t1)] cos F0. (8)
После упрощения будем иметь
cos F0 X(t1)/X(t2). (9)
В момент времени t01, соответствующий началу рассматриваемого полупериода, можно записать следующее выражение:
X(t01) X(t2) sin F0. (10)
Выражение (10) перепишем в виде
sin F0 X(t01)/X(t2). (11)
Поделив соответственно левые и правые части уравнений (10) и (11), получим
tg F0 X(t01)/X(t1). (12)
Следовательно, значение разности фаз F0 будет равно:
F0 arctg [X(t01)/X(t1)] (13)
Формула (13) справедлива для первого квадранта, то есть при сдвигах фаз Fo</2/. Для сдвигов фаз -/2<Fo<02 справедливо выражение F0 -F0 arctg X(t01)/X(t1)] Для сдвигов фаз, удовлетворяющих выражению , справедливо выражение
Fo = - + arctg[X(t01)/X(t1)].
Для сдвигов фаз /2<Fo< справедливо выражение
Fo=-arctg[X(t01)/X(t1)].
Следовательно, для -<Fo< можно записать
Fo= m (g+n),/2+2(14)/
где g arctg I[X(t01)/X(t1)]I для случая, когда измеряемый сигнал X(t) опережает по фазе опорный сигнал Y(t);
g -arctg IX(t01)/X(t1)]I для случая, когда измеряемый сигнал X(t) отстает по фазе от опорного сигнала Y(t);
n 0, m 1 для синфазных сигналов, ;
m -1, n -1 при g>0 или n 1 при g<0 для противофазных сигналов, .

Из (9) можно определять сдвиг фаз F0, используя формулу:
F0 arccos [X(t1)/X(t2)] (15)
Однако при использовании обычных технических средств измерений, когда величины измеряются с помощью 16-ти разрядных чисел, при малых значениях фазовых сдвигов разрешающая способность при измерениях значений арккосинуса ограничена, поэтому погрешность измерений несколько ухудшается.

Из (10) можно определять сдвиг фаз F0, используя формулу:
F0 arcsin [X(t01)/X(t2)] (16)
Выражение (16) позволяет повысить точность измерений малых фазовых сдвигов по сравнению с измерением функции arccos. Однако при измерениях сигналов с малой величиной амплитуд наличие постоянной составляющей в сигнале приводит к дополнительной погрешности. Таким образом, использование функции arctg позволяет снизить погрешность по сравнению с использованием функции arccos при измерениях малых фазовых сдвигов F0, а также по сравнению с использованием функции arcsin при измерениях сигналов с малыми амплитудами особенно при величинах сдвигов фаз F0 около p/4/4222.

Функциональная схема устройства представлена на фиг.1. Устройство содержит блоки 1 и 2 выборки-хранения, формирователь 3 управляющих импульсов, тригонометрический преобразователь 4, блок 5 определения знака разности фаз, блок преобразования 6.

Блоки соединены между собой следующим образом. Первый вход устройства соединен с информационными входами блоков 1 и 2 выборки-хранения, первыми входами формирователя 3 управляющих импульсов и блока 5 определения знака разности фаз. Второй вход устройства соединен с вторыми входами формирователя 3 управляющих импульсов и блока 5 определения знака разности фаз. Первый и второй выходы формирователя 3 управляющих импульсов подключены к управляющим входам первого 1 и второго 2 блоков выборки-хранения соответственно. Выходы последних двух подключены к первому и второму входам тригонометрического преобразователя 4 соответственно. Выход тригонометрического преобразователя 4 подключен к информационному входу управляемого блока регистрации 6, управляющий вход которого подключен к выходу блока 5 определения знака разности фаз.

Блок-схема формирователя 3 управляющих импульсов представлена на фиг. 2. Формирователь 3 управляющих импульсов содержит первый и второй фазовращатели 7 и 8 соответственно, первый, второй и третий компараторы 9, 10 и 11 соответственно, логические элементы ИЛИ 12 и И-НЕ 13. При этом вход первого фазовращателя 7 подключен к первому входу устройства. Вход второго фазовращателя 8 и вход первого компаратора 9 подключены к второму входу формирователя 3 управляющих импульсов. Последовательно с первым фазовращателем 7 включен второй компаратор 10, выход которого подключен к первому входу элемента ИЛИ 12. Последовательно с вторым фазовращателем 8 включен второй компаратор 11, выход которого подключен к второму входу элемента ИЛИ 12. Выход элемента ИЛИ 12 подключен к первому входу элемента И-НЕ 13, второй вход которого соединен с выходом первого компаратора 9. Первый и второй выходы формирователя 3 управляющих импульсов соединены с выходами элементов ИЛИ 12 и И-НЕ 13 соответственно.

Временные диаграммы работы устройства представлены на фиг. 3.

Устройство работает следующим образом. Исследуемый сигнал синусоидальной формы, например, напряжения Ux(t) является измерительным, а сигнал напряжения Uy(t) является опорным. Тогда входной сигнал напряжения Ux(t) поступает на информационные входы блоков 1 и 2 выборки-хранения. Напряжение Ux(t) также поступает на первые входы формирователя 3 управляющих импульсов и блока 5 для определения знака разности фаз, а напряжение Uy(t) поступает на вторые входы этих блоков.

Формирователь 3 управляющих импульсов формирует два логических выходных сигнала, первый из которых U12 является сигналом выборки-хранения для блока 1 выборки-хранения и поступает на второй (управляющий) вход этого блока. Второй выходной сигнал U13 является сигналом выборки и хранения для блока 2 выборки-хранения и поступает на второй (управляющий) вход блока 2. Формирование этих выходных импульсов поясняется диаграммой фиг. 3. и структурной схемой фиг. 2.

Входной измеряемый сигнал Ux(t) поступает на первый фазовращатель 7, на выходе которого получают сигнал U'x(t), сдвинутый по фазе на 90^o относительно Ux(t), как показано на фиг. 3-1. Сигнал U'x(t) поступает на вход второго компаратора 10, на выходе которого формируется последовательность импульсов напряжение U10, фиг. 3-2.

Входное (опорное) напряжение Uy(t) поступает на второй фазовращатель 8, на выходе которого формируется сигнал U'y(t), сдвинутый по фазе на 90^o относительно Uy(t), фиг. 3(1). Напряжение U'y(t) поступает на вход третьего компаратора 11, на выходе которого формируются логические сигналы U11, фиг. 3(3). Импульсы напряжений U10 и U11 поступают на двухвходовый элемент ИЛИ 12, на выходе которого формируется сигнал U12, фиг. 3(4): логическая единица напряжения U12 является сигналом "хранение", а логический ноль "выборка" для блока 1 выборки-хранения.

Опорный сигнал напряжения Uy(t) поступает на первый компаратор 9, на выходе которого формируется логический сигнал напряжения U9 как показано на фиг. 3(5).

Логические сигналы U12 и U9 поступают соответственно на первый и второй входы элемента И-НЕ, на выходе которого формируются логические сигналы напряжения U13, как показано на фиг. 3(6).

Таким образом, на соответствующие входы тригонометрического преобразователя 4 в период времени "хранение" поступают напряжения U1 с выхода первого блока 1 выборки-хранения, равное значению сигнала Ux(t1), когда опорное напряжение Uy(t) достигает своего экстремума, и напряжение U2 с выхода второго блока выборки-хранения, равное напряжению Ux(t) в момент времени t01, когда напряжение Uy(t) (опорное напряжение) равно нулю, см фиг. 3(1), 3(7).

Тригонометрический преобразователь 4 имеет на выходе напряжение U4, пропорциональное значению arctg [U2/U1]
Таким образом, на выходе тригонометрического преобразователя 4 в интервалы времени "измерение" (сигнал U13) формируется сигнал напряжения U4, соответствующий значению arctg Ux(t01)/Ux(t1), фиг. 3(8).

Напряжение U4 поступает на блок преобразования 6, на управляющий вход которого поступает сигнал с выхода блока 5 для определения знака разности фаз. Таким образом, в блоке преобразования 6 регистрируется сигнал, пропорциональный напряжению arctg [Ux(t01)/Ux(t1)] знак которого определяет блок 5 для определения знака разности фаз. При необходимости можно расширить диапазон измеряемых углов, добавив в устройство блок для определения квадрантов, а в блок преобразования 6 управляемый сумматор.

Устройство для измерения фазового сдвига между синусоидальными сигналами выполнено на стандартных элементах цифровых микросхемах и операционных усилителях.

Блоки 1 и 2 выборки-хранения построены как аналогичные блоки в [5а] формирователь 3 управляющих импульсов построен на стандартных схемах и устройствах, фазовращатели 7 и 8 построены аналогично фазовращателям в [5в] компараторы 9-11 приведены в [5б). В качестве блока 5 для определения знака разности фаз можно использовать аналогичный блок [6] В качестве тригонометрического преобразователя 4 можно использовать арктангенсный преобразователь [7] В качестве блока 6 преобразования можно использовать усилитель с регулируемым коэффициентом передачи, приведенный в [5г] В качестве логических элементов можно использовать МС серии 564.

Достоинством предлагаемого устройства является то, что проводят измерение мгновенных значений всего двух сигналов, а не четырех как в прототипе, кроме того, нет необходимости определять значение корня квадратного из суммы квадратов двух величин, как это делается в прототипе, что приводит к дополнительным погрешностям в прототипе. Измерения можно проводить с сигналом, имеющим наибольшую амплитуду, что позволяет существенно ослабить влияние измерений значений амплитуды одного из сигналов и обеспечить высокую точность измерений, не снижающуюся даже при низкочастотных измерениях.

Анализ погрешности используемых в устройстве звеньев и блоков показывает, что суммарная погрешность составляет менее 0,1 градуса, что является более высоким показателем по сравнению с погрешностями современных цифровых приборов для измерения фазовых сдвигов.

Используемые источники информации
1. Р. Кофлин, Ф.Дрискол, Операционные усилители и линейные интегральные схемы, Мир, М. 1979, а) с.208-209; б) с. 83.

2. Авт. свид. СССР N 135968, кл. G 01 R 25/00, 1961.

3. Авт. свид. СССР N 458777, кл. G 01 R 25/00, 1975.

4. Авт. свид. СССР N 1503025, кл. G 01 R 25/00, 1989.

5. А. Г. Алексенко, Е.А.Коломбет, Г.И.Стародуб, Применение прецизионных аналоговых ИС. М. Сов. радио, 1980: а) с.179-182; б) с.168; в) с.202-203; г) с.58.

6. Авт. свид. СССР N 1195275, кл. G 01 R 25/00, 1986.

7. Авт. свид. СССР N 763917, кл. G 06G 7/22.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения фазовых сдвигов между синусоидальными сигналами, содержащее первый и второй блоки выборки-хранения, причем информационный вход первого блока выборки-хранения подключен к первой входной шине устройства, вторую входную и выходную шины устройства, тригонометрический преобразователь, первый вход которого подключен к выходу первого блока выборки-хранения, блок преобразования, информационный вход которого подключен к выходу тригонометрического преобразователя, а выход к выходной шине устройства, отличающееся тем, что в него введены формирователь управляющих импульсов и блок определения знака разности фаз, причем первые и вторые входы формирователя управляющих импульсов и блока определения знака разности фаз попарно соединены между между собой и подключены к первой и второй входным шинам устройства соответственно, первый и второй выходы формирователя управляющих импульсов подключены к управляющим входам первого и второго блоков выборки-хранения соответственно, выход второго блока выборки-хранения подключен к второму входу тригонометрического преобразователя, выход блока определения знака разности фаз к управляющему входу блока преобразования, информационный вход второго блока выборки-хранения к первой входной шине.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что формирователь управляющих импульсов содержит два фазовращателя, три компаратора, элемент ИЛИ, элемент И-НЕ, причем вход первого фазовращателя подключен к первому входу формирователя управляющих импульсов, а вход второго фазовращателя и вход первого компаратора к второму входу формирователя управляющих импульсов, последовательно с первым фазовращателем включен второй компаратор, выход которого подключен к первому входу элемента ИЛИ, последовательно с вторым фазовращателем включен третий компаратор, выход которого подключен к второму входу элемента ИЛИ, выход которого подключен к первому входу элемента И-НЕ, второй вход которого подключен к выходу первого компаратора, выходы элементов ИЛИ и И-НЕ являются первым и вторым выходами формирователя управляющих импульсов соответственно.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3