Измеритель отношения значений амплитуд квазисинусоидальных сигналов

 

Использование: измерение параметров электрических сигналов с равными или близкими друг другу частотами. Цель: увеличение точности измерения отношения значений амплитуд на инфранизких частотах при искажениях экстремумов сигналов. Сущность изобретения: измеритель построен на основе способа, в соответствии с которым отношение значений амплитуд определяют как модуль отношения двух мгновенных значениях этих сигналов, полученных путем установления фазового сдвига 90 градусов между исследуемыми сигналами, для чего выделяют общий временной интервал, на котором сигналы не меняют свой знак, а мгновенные значения сигналов выбирают в середине выделенного интервала. Устройство содержит управляемый фазовращатель, блок определения соотношения фаз, формирователь импульсов, два блока выборки, хранения и блок деления. Положительный эффект: устройство позволяет проводить измерения с высокой точностью на инфранизких частотах даже тогда, когда существуют искажения исследуемых сигналов в области их экстремумов. 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к измерителям отношений значений амплитуд квазисинусоидальных сигналов, частоты которых равны друг другу или имеют близкие значения, и имеет преимущественное использование при амплитудных искажениях исследуемых сигналов инфразвуковых частот.

Известны различные устройства измерения отношения значений амплитуд двух гармонических сигналов. В основу большинства из них положен принцип преобразования переменных напряжений в постоянные пропорциональные по величине амплитуды исследуемых сигналов с последующим измерением отношениях этих постоянных напряжений [1-3] В зависимости от типов этих устройств погрешность измерения отношения лежит в пределах от долей до единиц процентов. Погрешность измерения значительно возрастает, если сигналы искажены в области экстремальных значений.

В устройстве [2] к времяимпульсному делителю подключен формирователь пилообразного напряжения, сигнал-делитель с которого поступает на пороговое устройство, где он сравнивается с сигналом делимого, после чего измеряют длительность интервала времени от начала формирования пилообразного напряжения до момента динамической компенсации уровня сигнала делимого пилообразным напряжением, длительность этого интервала пропорциональна определяемому отношению.

Такое устройство обладает высокой точностью при неискаженных сигналах, однако погрешность существенно возрастает, когда экстремальные значения гармонического сигнала искажены.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому по принципу преобразования сигналов путем выделения их мгновенных значений с последующим их делением является устройство [3] содержащее два пиковых детектора, входы которых подключены к соответствующим входам устройства, а выходы соединены с соответствующими входами блока деления постоянных напряжений, выход которого подключен к выходу устройства.

Устройство довольно простое в исполнении, оно работает по принципу прямого измерения отношения значений амплитуд исследуемых сигналов, однако погрешность измерения возрастает на инфранизких частотах, так как при больших фазовых сдвигах сигналов необходимо различное время хранения для пиковых детекторов, а также погрешность значительно возрастает при искажениях в области экстремумов исследуемых сигналов.

Целью изобретения является повышение точности измерения.

Цель в измерителе отношений значений амплитуд квазисинусоидальных сигналов, содержащем блок деления, выход которого подключен к выходу измерителя, достигается тем, что измеритель дополнительно содержит управляемый фазовращатель, формирователь импульсов, блок определения соотношения фаз, первый и второй блоки выборки и хранения, причем один из входов измерителя подключен к первым входам первого блока выборки и хранения и блока определения соотношения фаз, другой вход измерителя подключен к первому входу управляемого фазовращателя, выход которого подключен к первым входам второго блока выборки и хранения и формирователя импульсов, а также соединен со вторым входом блока определения соотношения фаз, выход которого соединен со вторым (управляющим) входом управляемого фазовращателя и вторым входом формирователя импульсов, выход которого соединен со вторыми (управляющими) входами первого и второго блоков выборки и хранения, выходы которых соответственно соединены с первым и вторым входами блока деления; управляемый фазовращатель содержит опорный генератор, блок выборки и хранения и регулируемый фазовращатель, причем вход и выход управляемого фазовращателя подключены ко входу и выходу регулируемого фазовращателя соответственно, второй (управляющий) вход последнего подключен к выходу блока выборки и хранения, первый вход которого подключен к выходу опорного генератора, а второй (управляющий) вход подключен ко второму (управляющему) входу управляемого фазовращателя; формирователь импульсов содержит элемент НЕ и последовательно соединенные компаратор, умножитель частоты на 2 и элемент И-НЕ, выход которого подключен к выходу формирователя импульсов, а второй вход подключен к выходу элемента НЕ, первый и второй входы формирователя импульсов подключены ко входам компаратора и элемента НЕ соответственно.

Способ основан на применении способа определения отношения амплитуд двух квазисинусоидальных сигналов.

Для доказательства справедливости этого способа входной квазисинусоидальный сигнал Uх(t) и опорный синусоидальный сигнал Uy(t) представим в виде сумм отдельных функций на интервалах времени bj, не содержащих сигналов, равных нулю: Uх(t) Uх(bj); Uy(t) Uy(bj), где t текущее время при регистрации исследуемых сигналов; N количество рассматриваемых интервалов времени, не содержащих сигналов, равных нулю; Uх(bj), Uy(bj) соответствующие сигналы на рассматриваемых интервалах времени bj.

Для установившегося процесса сигналы Uх(bj) и Uy(bj) на одноименных по j интервалах времени bj будем аппроксимировать в виде фрагментов синусоид, для которых с некоторым приближением справедливы следующие равенства: Ux(bj)= Axsin(t+Fx); Uy(bj)= Aysin(t+Fy), (1) где Ах, Аy значения амплитуд аппроксимирующих сигналов; значения круговой частоты сигналов;
t время;
Fx, Fy начальные фазы исследуемых сигналов.

Рассмотрим отношение между двумя сигналами в выражениях (1), обозначив искомое отношение амплитуд через Ka Aх/Ay, тогда:
f(bj)=Ka[sin(t+Fx)]/sin(t+Fy),
где f(bj) функция на интервале времени bj, определяемая отношением двух исследуемых сигналов Uх(bj) и Uy(bj).

Найдем такой момент времени to на интервале bj, когда значение f(bj) равнялось бы значению отношения амплитуд Ка. В этом случае можно записать f(to) Ka, следовательно:
[sin(to+Fx)]/[sin(to+Fy)=1 (2)
Обозначив дробь из выражения (2) для произвольного t через L и применив формулу для синуса суммы двух углов, запишем:

Разделив числитель и знаменатель на coswt0, получим:
L = (tgt cosFx+sinFx)/(tgtcosFy+sinFy). (3)
Анализируя сигналы на интервале bj, в зависимости от значения знака разности фаз Fo Fx Fy, можно приравнять нулю либо значение Fх, либо значение Fy. Если, к примеру, Fx>Fy, то Fy 0, и после деления числителя и знаменателя на tgwt=0 в выражении (3) получим:
L = cosFo+(sinFo)/(tgt), (4)
где Fo сдвиг фаз между исследуемыми сигналами.

Если Fx<Fy, то Fx 0, и после деления числителя и знаменателя в выражении (3) на tgt 0, получим:
L = 1/[cosFo+(sinFo/tgt)] (5)
Анализируя выражения (3 5), можно утверждать, что при любых соотношениях сдвига фаз между сигналами выполнение условия (2) сводится к выполнению следующего требования:
cosFo+sinFo/[tg(2/T)to]=1, (6)
где to соответствует искомому моменту времени, сек;
Т период исследуемых сигналов, сек.

Обозначим (2/T)to=B значение угла, определяемого положением to относительно периода Т. Тогда после перестановок выражение (6) перепишем в следующем виде:
tgB sinFo/(1-cosFo) (7)
В соответствии с формулой значений функций половинного аргумента представим правую часть уравнения (7) в следующем виде:
sinFo/(1 cosFo) ctg(Fo/2) (8)
Из (7 и 8) следует:
tgB ctg(Fo/2) (9)
Значение котангенса из выражения (9) выразим через значения тангенсов, тогда:
tgB tg[90 (Fo/2)] (10)
После преобразования можно получить:
tgB tg[(180 Fo/2)] (11)
Из равенства (11) получаем выражение для В:
B (180 Fo)/2 (12)
Так как B = (2/T)to и соответствует моменту времени, когда выполняется требование (2), то из (12) можно определить момент времени to на интервале bj. Угол 180^o соответствует полупериоду, поэтом положение точки to на интервале bj соответствует половине интервала времени, лежащего внутри одного из полупериодов, из которого исключен интервал времени, соответствующий сдвигу фаз между сигналами.

Если установить фазовый сдвиг между исследуемыми сигналами 90 градусов, то момент времени to будет соответствовать моменту времени /4 периода колебания одного из исследуемых сигналов.

Таким образом доказано, что при любых фазовых сдвигах между сигналами существует момент времени внутри каждого полупериода, где отношение модулей сигналов равно отношению амплитуд двух синусоидальных сигналов.

Схема измерителя представлена на фиг.1, схема управляемого фазовращателя приведена на фиг.2, схема формирователя импульсов на фиг.3.

Измеритель содержит управляемый фазовращатель 1; блок 2 определения соотношения фаз; блоки 3 и 4 выборки, хранения; формирователь импульсов 5; блок деления 6.

Блоки в измерителе (см. фиг.1) соединены следующим образом. Первый вход измерителя подключен к первым входам первого блока 3 выборки и хранения и блока 2 определения соотношения фаз. Второй вход измерителя подключен к первому входу управляемого фазовращателя 1, выход которого подключен к первым входам второго блока 4 выборки, хранения и формирователя импульсов 5, а также соединен со вторым входом блока 2 определения соотношения фаз. Выход блока 2 определения соотношения фаз подключен ко второму (управляющему) входу управляемого фазовращателя 1 и ко второму входу формирователя импульсов 5. Выход формирователя импульсов 5 соединен со вторыми (управляющими) входами первого и второго блоков 3 и 4 выборки и хранения. Выходы первого и второго блоков 3 и 4 соединены с первым и вторым входами блока деления 6 соответственно. Выход последнего подключен к выходу измерителя.

Управляемый фазовращатель 1 (см. фиг.2) содержит опорный генератор 7, блок 8 выборки и хранения, регулируемый фазовращатель 9. Блоки в управляемом фазовращателе 1 соединены следующим образом. Выход опорного генератора 7 подключен к первому входу блока 8 выборки и хранения. Вход и выход управляемого фазовращателя 1 соединены с первым входом и выходом регулируемого фазовращателя 9 соответственно. Второй (управляющий) вход последнего подключен к выходу блока 8 выборки и хранения, второй (управляющий) вход которого соединен со вторым (управляющим) входом управляемого фазовращателя 1.

Формирователь импульсов 5 (см. фиг.3) содержит элемент НЕ 10 и последовательно соединенные компаратор 11, умножитель частоты 12, элемент И-НЕ 13. Блоки в формирователе импульсов 5 соединены следующим образом. Первый вход формирователя импульсов 5 подключен ко входу компаратора 11, выход которого соединен со входом умножителя частоты 12. Второй вход формирователя импульсов 5 подключен ко входу элемента НЕ 10, выход которого подключен ко второму входу элемента И-НЕ 13, первый вход которого соединен с выходом умножителя частоты 12. Выход элемента И-НЕ соединен с выходом формирователя импульсов 5.

Принцип работы устройства основан на способе, в соответствии с которым исследуемые сигналы напряжения Uх(t) и Uy(t) сдвигают по фазе друг относительно друга таким образом, чтобы между ними был фазовый сдвиг, кратный 90 градусам, выделяют временной интервал bj на одном из полупериодов, общем для обоих сигналов, на котором не происходит изменение знака, проводят измерения значений сигналов в середине выделенного интервала, и модуль отношения этих значений будет соответствовать отношению значений амплитуд сигналов.

Сдвиг сигналов по фазе без изменения амплитуды производит управляемый фазовращатель 1 при помощи регулируемого фазовращателя 9, который управляется напряжением U8 с выхода блока 8 выборки и хранения, на вход которого поступает напряжение U7 с выхода опорного генератора 7. Напряжение U7 может изменяться во времени по любому закону, а величина напряжения U8 для управления величиной фазы выбирается в соответствии с управляемым сигналом U2 с выхода блока 2 определения соотношения фаз. Величину этого фазового сдвига устанавливает блок 2 определения соотношения фаз, который контролирует соотношение фаз сигналов, поступающих на первые входы первого и второго устройств 3 и 4 выборки и хранения.

Как только фазовый сдвиг становится кратным 90 градусам блок 2 для определения соотношения фаз вырабатывает управляющий логический сигнал напряжения U2, который останавливает изменение фазового сдвига, производящего управляемым фазовращателем 1.

Напряжение сигнала U'y(t) с выхода управляемого фазовращателя 1 и напряжение U2 поступают на формирователь импульсов 5, который формирует на своем выходе управляющий сигнал напряжения U5, который выбирает момент времени to для измерения.

Формирователь импульсов 5, представленный на фиг.3, работает следующим образом. Сигнал U'y(t) поступает на компаратор 11, а сигнал напряжения U2 на вход элемента НЕ 10. С выхода компаратора 11 импульсы напряжения U11 поступают на вход умножителя частоты 12, на выходе которого получают импульсы напряжений U12, длительность которых соответствует 1/8 периода сигнала U'y(t).

Импульсы напряжения U10, логическая единица которых соответствует времени, когда фазовый сдвиг между исследуемыми сигналами равен 90^o, и импульсы напряжений U12, логическая единица которых соответствует интервалу времени от 2p/8 и до 3p/8 колебаний сигнала U'y(t) и интервалу времени 5p/8 до 6p/8 периода сигнала, поступают на логический элемент И-НЕ 13. Следовательно, при фазовых сдвигах 90 градусов между исследуемыми сигналами в указанных интервалах времени на выходе элемента И-НЕ 13 будет логический ноль последовательности импульсов в соответствии с последовательностью напряжения U12.

Логический ноль напряжения U13 будет являться сигналом "хранение" для блоков 3 и 4 выборки и хранения.

Сигналы для измерения отношения амплитуд Uх(t) и U'y(t), сдвинутые по фазе на 90 градусов относительно друг друга, поступают на входы блоков 3 и 4 выборки и хранения, на выходах которых эти сигналы повторяются в режиме "выборка" и сохраняются в памяти в режиме "хранение" в виде напряжений Ux(to) и U'y(to), когда на управляющие входы блоков 3 и 4 поступает логический сигнал "хранение" напряжения U5 U13 с выхода формирователя импульсов 5.

Значение модуля отношения напряжений в этот момент времени и равно отношению значений амплитуд исследуемых сигналов.

Достоинством предлагаемого измерителя отношения является то, что его методическая ошибка равняется нулю даже в том случае, когда существуют искажения исследуемых сигналов в области (0,707 1) от их экстремальных значений.

Измеритель отношений выполнен на стандартных элементах по схемам, известным в литературе.

В управляемом фазовращателе 1: опорный генератор 7 [4a] блок 8 выборки хранения [5a] регулируемый фазовращатель [4б] Блок 2 определения соотношения фаз аналогичен [6] Блоки 3 и 4 выборки, хранения [5a]
В формирователе импульсов 5: логические элементы НЕ 10 и И-НЕ 13 серии 564, компаратор 11 [6б] умножитель частоты [5в] Блок деления, аналогичный [5г]
Устройство позволяет проводить измерения с высокой точностью за счет того, что выбор мгновенных значений сигнала-делимого и делителя производится в стороне от экстремальных значений, где обычно искажения максимальны. Инструментальная ошибка такого измерителя, как показывает анализ, составляет десятые доли процента.

Используемые источники информации
1. Применение и проектирование операционных усилителей. Под ред. Дж. Грэма. Мир, 1974.

2. Авт. св.СССР N 752366, G 06 G 7/16.

3. Р.П.П Жилинскас. Измерители отношения. М. Советское радио, 1975, стр. 38 42.

4. Заявка на изобретение N 4900115/24 (116936), положительное решение от 10.12.91.

4. Кофлин Р.и Дрискол Ф. Операционные усилители и линейные интегральные схемы. М. Мир, 1979:
cтр. 97 99 (а)
стр. 202 203 (б).

5. Алексенко А. Г. Коломбет Е.А. Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых ИС. М. Советское радио, 1980:
cтр. 179-182 (а)
стр. 168-170 (б)
стр. 103 (в)
стр. 92 101 (г)
6. Авторское свидетельство СССР N 243728, G 01 R, 25/00.

Формула изобретения

1. Измеритель отношения значений амплитуд квазисинусоидальных сигналов, содержащий блок деления, выход которого подключен к выходу измерителя, отличающийся тем, что в него введены управляемый фазовращатель, формирователь импульсов, блок определения соотношения фаз и первый и второй блоки выборки и хранения, причем один из входов измерителя подключен к входу первого блока выборки и хранения и к первому входу блока определения соотношения фаз, другой вход измерителя подключен к входу управляемого фазовращателя, выход которого подключен к первым входам второго блока выборки и хранения и формирователя импульсов и к второму входу блока определения соотношения фаз, выход которого соединен с управляющим входом управляемого фазовращателя и с вторым входом формирователя импульсов, выход которого соединен с управляющими входами первого и второго блоков выборки и хранения, выходы которых соответственно соединены с первым и вторым входами блока деления.

2. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что управляемый фазовращатель содержит опорный генератор, блок выборки и хранения и регулируемый фазовращатель, причем вход и выход фазовращателя подключены к входу и выходу регулируемого фазовращателя соответственно, управляющий вход регулируемого фазовращателя подключен к выходу блока выборки и хранения, вход которого подключен к выходу опорного генератора, а управляющий вход к управляющему входу фазовращателя.

3. Измеритель по п. 1, отличающийся тем, что формирователь импульсов содержит элемент НЕ и последовательно соединенные компаратор, умножитель частоты на два и элемент И-НЕ, выход которого подключен к выходу формирователя, а второй вход соединен с выходом элемента НЕ, первый и второй входы формирователя подключены к входам компаратора и элемента НЕ соответственно.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3