Способ измерения фазового сдвига электрических сигналов

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 24. 12. 80 (21) 3223585/18-21 f $$) М. Кл з с прмсоединением заявки ¹â€”

G 01 R 25/00 (23) Приоритет—

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий

Опубликовано 070882. Бюллетень ¹ 29 153) УДК 621.317. .77(088.8) Дата опубликования описания 0708.82. (72) Автор изобретения

В.Т.Кондратов (71) Заявитель

Ордена Ленина институт кибернетики

AH Украинской CCP (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФАЗОВОГО СДВИГА

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Изобретение относится к информационно-преобразовательной и измерительной технике и может быть использовано при построении высокоточных фаэометров, фазочувствительнчх вольтметров, измерителей мощности и косинуса угла потерь и другой контрольно-измерительной аппаратуры, реализующей фазовые методы измерения в широком диапазоне частот.

Известен способ измерения фазового сдвига электрических сигналов, заключающийся в том, что выделяют временной сдвиг и период сравниваемых по фазе сигналов по моментам перехода их через нуль, измеряют и вычисляют их (1).

Известному способу присущи недо статочная точность измерения и быстродействие, превышающее период сравниваемых по фазе сигналов. Недостаточная точность связана с методической погрешностью измерения. Последняя обусловлена чувствительностью метода к нестабильности и неравенству амплитуд сравниваемых по фазе сигналов. Кроме того, известный способ чувствителен к воздействию помех и шумов, которые ".àêæå вносят погрешности в результат измерения, Наиболее близким техническим решением является способ измерения фазового сдвига электрических сигналов, заключающийся в том, что выде5 ляют временной сдвиг и период сравни ваеьых по фазе сигналов по моментам перехода их через нуль, вычисляют от11yl ggTс одновременным ум ножением частного на коэффициент 1800

10 121

Известный способ обеспечивает из.мерение фазового сдвига электрических сигналов за период, но имеет недостаточную .точность измерения, обусловленную наличием методической погрешности измерения — чувствительностью к неравенству и нестабиль. ности амплитуд входных сигналов.

Цель изобретения — повышение точности измерения эа счет исключения амплитудно-фазовой погрешности.

Поставленная цель достигается

25 тем, что, согласно способу измерения фазового сдвига электрических сигналов, заключающемуся в том, что выделяют временные интервалы, пропорциональные периоду и временному сдвигу сравниваемых по фазе сигналов, иэ949536

N at

Чх

4Ч Т

+ y,=(èè) (ä ) в ч„= (—,) (и FJ

У у 7 т „-(и sa) (д,р q(n t

6 = ду т/и

Б 9„=()(И F) (ф .F)

" = ь, c) (4t /ЛУ) к = (т/Ф) У/Т д 9 /Ь t а/л

Ю т/д t ((e и> г)

yõ д р (Л F) Я с= д р/у) (N -ht) (Ь у Т) Х- —Т,ЬУ/М

f(w г)at)

Чх = рр

v„=() F

20,„(и

1ДУ Т/ у„=(„) Г (Ы Г) Ь Р Т

F (Р ) Dt (nv т) nt

Д P Т

3Ü ((„j т) nv т ((ам) х= 1- ht

5 (— „ ) в

sv/дт д ром

1/А Р

1/Ь Р

f/ò

Х 4/и д Р/Ф

//т

Л Р/4 1

x/e

1/Т

Х и/N

g/ht

4Т

i Ðõ,/hr меряют их и Вычисляют значение фазового сдвига по формуле где Чх — определяемый фазовый 5 сдвиг;

N u Ч вЂ” электрические величины;

z t — временной интервал, пропорциональный временному сдвигу сравниваемых по фа-10 зе сигналов;

Т - временной интервал, пропорциональный периоду сигнала,, при формировании временных интервалов, пропорциональных периоду и временному сдвигу сравниваемых по фазе сигналов, в каждый нолупериод измеряют амплитудное значение каждого иэ сравниваемых по фазе сигналов, полученные сигналы уменьшают в m раэ, сравнивают с мгновенными значениями сравниваемых по фазе сигналов, в моменты их равенства формируют короткие импульсы, интервал времени между нечетным (четным) и четным (нечетным) импульсами используют в качестве временного сдвига сигналов, интервал времени между нечетными (четными) импульсами используют в качестве полупериода сравниваемых по фазе сигналов.

Фазовый сдвиг может быть определен путем 197 комбинаций последовательностей операций над полученными временными интервалами и электрическими величинами, представленными в таблице.

949536

Продолжение таблицы

54

59

64

68

10

16

В0

1/a t 1 К

au/a t

ӄ= — — 00

V - — — — 104

103

106

101 ИО

At/ 7 х к Р к/д t

1/ д Р х

//Л 1 к г В Р х

1/Л 6

Г /й Р 77 Ф

7/5t

Ч

iV х Д Р/Д

ht

Рх 7

0 Р/У

r/a Р

//ю т7и

1/Т Р =— х

1Г

iV Р х r/at

777

0 Р

Ч вЂ”вЂ”

К yÐ

1/tV

b4

4Рх =

rc F

0Ч f Т д /т

V д

7/И

Д Р

S/д Р

Рx

1 Ю IЬТ

К/д Р

Рх 7//bt

Дй д Р

Р/0/

Р=—

V х r/at

Л Р/Г

Л6 х ду

T/-К к/a Р

//Л t

7/ .К /7

8 Р .//tV

r/at Р

lV

r/F

8 Р

Bk

ЬР

4 /rV

r/F baht

bt/7 х д Р . и

7 / 0 Р

9 = к Г/ле

r /tv

Л(/4 Р Рх

7/8 t

7 fht P и х ДУВР

1/D t

5t Р

Т/N

Д Р у /дч

y/и

r /dt

r / 7 д

И

1/bt

Д У

1/F

ht

Рх

b P

t/F

7/Г

8V à f

1 N

949536

Продолжение таблицы

Ух

dY7 тх"х" в,ь сх =

118 рх = (си/г) а//d ьР

r/F

7/а Г

F/7

"» а р/и

F//fj М

<53

Н/Ь

Ч

F/d т/Г

Н/Т

dcglF

РTЛ

Дй/F 6 = —.

dЧ/Г

7/К

И/Г а р/а т/Г

dt/Аь/ ь х = т/F

164

dtIF

Т/F в/)Ч/JV

F/Т ч

dV/dt

F/N

116

1в5 в8

«) вв

18Ь с»

Т/hf

7/F ч„= (с/ в ((г/т) аз Vr= /„)(r/т

C(ht I Г) (е/О)( х =

14 1)х ду а ч, = (с/ьч) (вЯ14в чт=(вь/с)(— ) ч,=(ю/с)(, /,„) 151 Р =

df/F

7/N

d tf)l F

161 (Ð

Flag

T/и г/ы

«ьу

r t /в с

F/Н

Ч

X 7/F

5 V//tf

F/И

1 ьР "—

x- pygmy

Т/ЛГ

ЮИ

"х- F/а

77у

dVVF

Ь вь

t ии

Т/Г

АЯЖ х «7/е

d /3 и га т

1вь pr = („„)(tt r) вв ч„=(вв,/„) (с в ч оь т„=(вЦЯ(и/с

Е F/de)(dt /Г ) т/Н

r4 ч =(с/т)() мь чr =. (с/в ч) (,» "„, „, (с/т) (вь/ьч

»в F/N ю -"" х= dy/N

Т/3=

4// Т

456 Р»аь//Г

1 д р/и

7/с

F/d t

Т/Н

dY/F.F/d t

U -— х FF//d t

Ььс/N T/F

1 вч/вь

Т/Г

Г/IV

"» =ау/и

F/hf

rlF,-(;",")(/с) 1 „„=(Е)(,/т) (dtIF)(F/dVl т/ а/

Ч„= (и/с) (сч/т„) (вв/с)(вч/ ) f)(/ F

Т/Г и ьР/И

» аь//Н

F /dt

r/F

У

К- Fldt

ЛЧIF

Т/h/

"х =,И

Т/F

4вчв le

"»-F/N

dV/dt

77 Г

„=()(с/т) f (F/7) (Д4 / F ) х- а,, ) ч. = (ь /с) (",,",") с . (r/7) (— -) 1

r/ F

Г /М.

d r(/hf

4 6 = аь,в/Г

Г/М

r/hf

1 х- Т/N

Г/ Ы.

d tf//F

1 Р=—

T/F

dv/аt

F/ /V

949536

Продолжение таблицы

U„(t) = Vn1 singt

1 и

30 аЧ„)= т(Я

1 . 1

= — arcsin—

Я m (7) (arcsin — + Х ) (9)

m (а rc s in + Ч„+М) (10)

1

3 ф

1 4

На Фиг.1 показаны эпюры напряжений; на фиг.2 — устройство, реализующее предлагаемый способ.

В каждый полупериод измеряют амплитудное значение каждого иэ сравниваемых по фазе сигналов (фиг.1а). 20

U<(t) = V> sin (Qt -Чх) (2) 1

В результате измерения получают сигналы Чщ„ и Ч„, (фиг.1а).

Полученйые сигналы Ч „ H Vn,равные амплитудным значениям сравниваемых по фазе сигналов (1) и (2), уменьшают в в раз (фиг.1a):

Vîn 1 т„lm (3)

1 оп1= Vn111щ (4)

Затем сигналы (3) и (4) сравнивают с мгновенными значениями, соответственно, сигналов (1 ) и (2):

Von„=Vm sinQt„; Von =Vn1 з1п(211- х) или

40 — — е = Чт sin52 t1

Vm (5) Г = Чпъ sin (a t<- Чх)

Vn1 (6) 45

В моменты t1 и t равенства сигналов формируют короткие импульсы (фиг.1б). Из выражений (5) и (6) моменты времени t1 и t <, соответствен- 50 но, равны: — (arcsin — + Ч„) (8)

1 . 1 55

Я m

Для отрицательных полупериодов аналогично получаем (фиг.1a) Интервал временидГ между нечетными и четными импульсами использу- Ь5 ют в качестве временного сдвига сигналов (фиг.1в) 1 = — (arcs in — + х) — — х

1 1

x arcsin — = V /Я (11) Интервал времени дй между четными и нечетными импульсами (фиг.1г) 1 . 1

ntg = t5 -t = — (arcsin- + JT ) Я

1 . 1 (a>csin — + Чх) = (У -Мх)/Я (12) Интервал времени между нечетными импульсами используют в качестве полупериода сравниваемых ло фазе сигналов (фиг.1в) Т/2 =t3-t = †(arcsin — +.7 )

1 . 1

1 я m

1 . 1 (13)

-arcs in = .ГIЯ я m и между четными импульсами (фиг.1г):

Tg=t -4,„= — сигсв1в — +Ч+м - — агю и- +

4 1ф 1 И Х /Я гЛ

Затем измеряют временные интервалы (11), (12) и(13), (14), равные временному сдвигу и полупериоду сравниваемых по фазе сигналов, а затем осуществляют вычислительные преобразования полученных значений с дополнительной постоянной величиной И и погрешностью дискретности дЧ

Устройство, реализующее способ измерения фазового сдвига электрических сигналов, содержит измерители-1 и 2 амплитуды, управляемые аттенюаторы 3 и 4, задатчик 5 коэффициента деления m, блоки б и 7 сравнения сигналов, формирователь 8 временных интервалов, задатчик 9 параметров М и д Ч, вычислительный преобразователь 10, отсчетно-регистрирующий блок 11.

При этом входы устройства соединены с входами измерителей 1 и 2 амплитуды и первыми входами блоков 6 и 7 сравнения сигналов, вторые входы ко949536

Формула изобретения

В момент времени t<(t<) равенст- 4О ва мгновенных значений сравниваемых сигналов (1) и (3), (2) и (4), определяемым выражением (7) или (8), на выходе блока 6(7) сравнения сигналов формируется короткий импульс„ который поступает на вход формирователя 8 временных интервалов. Последний осуществляет формирование и изiмарекие временных интервалов,пропорциональных периоду и временному сдви-<ц

4 гу в соответствии с выражениями (11), (13) или (12), (14). B результате на первый и второй входы вычислительного преобразователя 10 поступают коды чисел (или напряжения), равные временному сдвигу ай и полупериоду

Т/2 сравниваемых по фазе сигналов.

На третий и четвертый входы вычислительного преобразователя 10 поступает код числа Ы = 180, и код числа

n V, равный, например, О, 01 (или эквивалентные им напряжения.) . Коды этих чисел формируются с помощью задатчика 9 параметров N r n

С помощью вычислительного преобразователя 10 осуществляется вычисле- 5.!

nt Ь = .Я T где 9» — определяемый фазовый сдвиг;

У,ила - электрические величины;

nt — временной интервал, пропорциональный временному сдвигу сравниваемых по фазе сигналов;

Т вЂ” временной интервал, пропорциональный периоду сигнала, о т л и а ю шийся тем,. что, с целью повышения точности измерения эа счет исключения амплитуднофа=.oâoé погрешности, при Формировании временных интервалов, пропорци— торых через управляемые аттенюаторы 3

3 и 4 подключены к выходам измерителей 1 и 2 амплитуды.

Установочные входы управляемых аттенюаторов 3 и 4 объединены и подключены к выходу задатчика 5 коэффициента деления.

Выходы блоков б и 7 сравнения сигналов соединены с входами формирователя 8 временных интервалов, выходы которого подключены к первому и вто- IO рому входам вычислительного преобразователя 10, третий и четвертый входы которого соединены с выходами задатчика 9 параметров.

Выход вычислительного преобразователя 10 подключен к входу отсчетно-регистрирующего блока 11.

Работа устройства заключается в следующем.

Электрические сигналы (1) и (2), фазовый сдвиг Ч» между которыми подлежит измерению, поступают на входы измерителей 1 и ? амплитуды соответственно. Одновременно эти сигналы поступают и на первые входы бло-25 ков б и 7 сравнения сигналов.

С помощью измерителей 1 и 2 амплитуды осуществляется измерение амплитуды сигнала Ч,„ (Ч ). Результат

Щ. 7П измерения поступает на вход управляемого аттенюатора 3(4).

Коэффициент деления управляемого аттенюатора 3 4) устанавливается равным kg = m с помощью задатчика

5 коэффициента деления.

В результате на второй вход бло- 35 ка 6(7) сравнения сигналов поступает сигнал,. определяемый выражением (3) или (4) . ние результата измерения фазового сдвига согласно приведенных в таблице выражений.

Значение измеряемого Фазового сдвига индицируется в градусах с помощью отсчетно-регистрирующего блока 11. Повышение точности достигнуто за счет нечувствительности предлагаемого способа к нестабильности и неравенству амплитуд сигналов, что обеспечивается адаптивным изменением опорного сигнала в зависимости от значения амплитуды входного сигнала.

В результате моменты времени и т.д. не зависят ни от амплитуды входных сигналов, ни от уровня опорного сигнала. Моменты времени t,t зависят только от значений коэффициента деления m, который может быть установлен с высокой точностью и стабильностью. Следовательно, в предлагаемом способе исключена методическая погрешность измерения фазового сдвига сигналов, связанная с определением моментов перехода сигналов через нулевой или постоянный опорный уровень.

Предлагаемый способ может быть реализован в широком диапазоне частот. Он обеспечивает исключение амплитудно-Фаэовой погрешности измерения, что позволяет расширить динамический диапазон входных сигналов.

Соответствующим подбором коэффициента деления управляемых аттенюаторов возможно снижение и погрешности измерения, обусловленной влиянием высших гармоник на результат измерения.

Способ измерения фазового сдвига электрических сигналов, заключающийся в том, что выделяют временные интервалы,. пропорциональные периоду и временному сдвигу сравниваемых по фазе сигналов, измеряют их и вычисляют значение фазового сдвига по формуле

949536

ФшГ

Составитель Н.агеева

Редактор A.Êoçoðèç ТехредЛ.Пекарь КоРРектоР H. Король

Заказ 5740/33 Тираж 717 Подписное

BHIIHIIH Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Филиал П((П "Патент", г.ужгород, ул.Проектная,4 ональных периоду и временному сдвигу сравниваемых по фазе сигналов, в каждый полупериод измеряют амплитудное значение сравниваемых по фазе сигналов, полученные сигналы уменьшают в тп раз, сравнивают с мгновенными значениями сравниваемых по фазе сигналов, в моменты их равенства формируют короткие импульсы, интервал времени между нечетным (четным) и четным (нечетным) импульсами используют в качестве временного сдвига сигналов, а интервал времени между нечетными (четными) импульсами используют в качестве полупериода сравниваемых по фазе сигналов.

Источники информации, 5 принятые во внимание при экспертизе

1. Кузнецкий С.С., Чмых М.К. Цифровые методы измерения сдвига фаз.

ПТЭ Р, 5, 1970, с..10.

2. Структурные методы повышения

Ið точности, чувствительности и быстродействия измерительных устройств °

r.ÓMàíü, 1975, вып.П, с.91-92.