устройство для определения соотношения фаз двух синусоидальных сигналов

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СООТНОШЕНИЯ ФАЗ ДВУХ СИНУСОИДАЛЬНЫХ СИГНАЛОВ, содержащее блок сравнения и формирователь импульсов, вход которого подключен к второму входу устройства, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит два блока выборки и хранения, компаратор и блок деления, причем два входа блока деления первый для сигнала-делимого, второй для сигнала-делителя, подключены к первому и второму входам устройства соответственно, первые входы первого и второго блоков выборки и хранения подключены к выходу блока деления, первый и второй выходы формирователя импульсов подключены к вторым управляющим входам первого и второго блоков выборки и хранения соответственно, выходы последних двух соответственно подключены к первому и второму входам блока сравнения, выход которого подключен к управляющему входу компаратора, информационный вход которого соединен с выходом одного из блоков выборки и хранения, а выход с выходом устройства.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что формирователь импульсов содержит два умножителя частоты, элемент И НЕ и элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, причем первый и второй умножители частоты соединены последовательно, а вход первого подключен к входу формирователя импульсов, первые и вторые входы элементов И НЕ и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ попарно соединены между собой и подключены к входу и выходу второго умножителя частоты соответственно, выходы элементов И НЕ и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ подключены к первому и второму выходам формирователя импульсов соответственно.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для определения соотношений фаз двух синусоидальных сигналов, в частности к устройствам идентификации опережения и отставания по фазе на 90^о одного относительно другого сигнала напряжения или тока одной частоты, и предназначено для преимущественного использования в прецизионных устройствах инфранизкочастотного диапазона, когда амплитуды сигналов могут значительно различаться между собой и изменяться в широких пределах.

Известны различные устройства, позволяющие определять соотношения фаз при измерении разности фаз [1, 2, 3] Эти устройства характеризуются значительной сложностью из-за большого количества блоков и звеньев, требующихся при формировании дополнительных импульсов в определенные моменты времени, сравнении временных интервалов, измерении коэффициентов модуляции, корреляции и т.п. При сдвигах фаз 90^о погрешность увеличивается из-за того, что на инфранизких частотах уменьшается скорость изменения сигналов и время срабатывания пороговых устройств становится неоднозначным, особенно при малых значениях амплитуд (или амплитуды хотя бы одного из сигналов).

Известны более простые осциллографические устройства определения соотношений фаз двух сигналов, например [4] с помощью фигур Лиссажу. Устройство использует отклоняющие пластины осциллографа, на которые подаются исследуемые сигналы, и по фигуре в виде эллипса на экране осциллографа можно судить о сдвиге фаз 90^о и о том, какой сигнал опережает другой.

Определение знака разности фаз при сдвигах фаз 90^о по фигурам Лиссажу затруднено из-за конечной разрешающей способности осциллографа, определяемой шириной луча, особенно при малом значении амплитуды, хотя бы одного из сигналов, когда регистрация исследуемых напряжений осуществляется на нелинейном участке отклоняющего напряжения. Кроме того, погрешность регистрации исследуемых сигналов с помощью осциллографа возрастает в инфранизкочастотном диапазоне из-за трудностей количественных оценок измерений.

Известно другое простое устройство определения соотношения фаз [5] содержащее последовательно соединенные умножитель и фильтр, на выходе которого получают напряжение, имеющее постоянную составляющую, которую выделяют, после чего определяют сдвиг фаз в 90^о, когда постоянная составляющая становится равной нулю.

Этому устройству свойственны также недостатки на инфранизких частотах и малых амплитудах сигналов, погрешность определения фазового сдвига 90^о значительно возрастает, так как возникают трудности в точном выделении постоянной составляющей из напряжения сигнала-произведения. Кроме того, имеет место опережение или отставание по фазе между исследуемыми сигналами.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому по большему количеству сходных существенных признаков является устройство для определения соотношения фаз между сигналами [6] содержащее три формирователя импульсов, один из которых является компаратором, подключенных к трем входам устройствам, два из которых сигнальные, а третий опорный, счетчик импульсов, генератор, регистры и блок сравнения, подключенный к выходу устройства.

Недостатком устройства является значительное возрастание погрешности измерения при малых амплитудах исследуемых сигналов в инфранизкочастотной области и особенно при значениях разности фаз между ними, близких к нулю или кратных 90^о. Кроме того, нельзя идентифицировать фазовый сдвиг в 90^о.

Целью изобретения является повышение точности измерений при расширении функциональных возможностей.

Цель в устройстве для определения соотношения фаз двух синусоидальных сигналов, содержащем блок сравнения и формирователь импульсов, вход которого подключен к второму входу устройства, достигается тем, что оно дополнительно содержит два блока выборки и хранения, компаратор и блок деления, причем два входа блока деления первый для сигнала-делимого, второй для сигнала-делителя подключены к первому и второму входам устройства соответственно, первые входы первого и второго блоков выборки и хранения подключены к выходу блока деления, первый и второй выходы формирователя импульсов подключены к вторым, управляющим входам первого и второго блоков выборки и хранения соответственно, выходы последних двух соответственно подключены к первому и второму входам блока сравнения, выход которого подключен к управляющему входу компаратора, информационный вход которого соединен с выходом одного из блоков выборки и хранения, а выход соединен с выходом устройства, при этом формирователь импульсов содержит два умножителя частоты, элемент И-НЕ и элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, причем первый и второй умножители частоты соединены последовательно, а вход первого подключен к входу формирователя импульсов, первые и вторые входы элементов И-НЕ и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ попарно соединены между собой и подключены к входу и выходу второго умножителя частоты соответственно, выходы элементов И-НЕ и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ подключены к первому и второму выходам формирователя импульсов соответственно.

Сущность изобретения заключается в том, что после деления величин исследуемых сигналов друг на друга однозначно определяют фазовый сдвиг 90^о между этими сигналами по наличию у них разных знаков и отсутствию различия между модулями выбранных значений в моменты времени t₁ и t₂ внутри полупериода сигнала-делителя, равноотстоящими по времени от середины рассматриваемого интервала, и по знаку сигнала-частного в момент времени t₁ определяют, опережает или отстает по фазе на 90^о сигнал-делимое от сигнала-делителя.

При делении двух синусоидальных одной частоты сигнал-частное представляет собой функцию времени

f(t) [Asin ( t + F₁)]/[Bsin ( t + F₂)] (1) где K A/B; Bsin ( t + F₂) 0; F₁ и F₂ фазы двух исследуемых сигналов; А и В амплитуды исследуемых колебаний.

Функция f(t) периодическая прерывная функция и по виду напоминает функции тангенсов или котангенсов.

В случае F₁ > F₂, F₂ 0 выражение (1) записывается следующим образом для K > >0, 0F_o/2 и K < 0, / 2<F:

f(t) K [cos F_o + sin F_o ctg (2 t/T)] (2) где T 2 / ; F_o разность фаз между исследуемыми сигналами.

В случае F₂ > F₁, F₁ 0 можно записать для K >0, /2 < F_o < 0 и K < 0, - F_o < - /2

f(t) K1/[cosF_o + sinF_o ctg (2 t /T)] (3)

Положив F_o 270^о или F_о 90^о (опережение по фазе на 90^о сигнала-делимого сигналом-делителем), имеют следующие значения: sinF_o 0; cosF_o 1. Подставляя эти значения в выражения (2) и (3), получают

f(t) K [ctg (2 t/T)] (4)

Положив F_o 270^o или F_o -90^о (отставание по фазе на 90^о сигнала-делимого относительно сигнала-делителя), имеют следующие значения: sinF_o -1, cosF_o 0. Подставляя их в выражения (2) и (3), получают

f(t) K [tg(2 t/T)] (5)

Следовательно, в случае фазового сдвига 90^о получают функцию f(t) в виде функции тангенса или котангенса, умноженных на коэффициент К, т.е. имеют функцию f(t), симметричную относительно момента времени t(o), соответствующего середине рассматриваемого полупериода. Коэффициент К определяет лишь наклон функции f(t). Различать функцию в виде тангенса или котангенса в этом случае легко по знаку сигнала-частного в определенный момент времени. К примеру, если сигнал-частное в момент времени t₁ имеет положительный знак, то функция f(t) имеет вид котангенса, следовательно, сигнал-делимое опережает сигнал-делитель, а если f(t₁) < 0, то f(t) имеет вид тангенса и сигнал-делимое отстает от сигнала-делителя. Можно использовать для определения и момент времени t₂, тогда условия для определения опережения и отставания по фазе противоположны по знаку.

Определяют величину q, показывающую относительное приращение в процентах функции выражения (4) при малых отклонениях от фазовых сдвигов 90^о между исследуемыми сигналами:

q (a₁/a₂)100% (6) где a₁ Kcos F_o + Ksin F_o ctg (2 t/T)

^_ K ctg (2 t/T);

a₂ Kctg (2 t/T).

После упрощения выражение (6) принимает вид

l q l[cos F_o/ctg(2 t/T)] +

+ sinF_o 1)}100% (7)

Как видно из выражения (7), величина q не зависит от коэффициента К, а зависит лишь от значения отклонений фазовых сдвигов от 90^о и от значения ctg(2 t/T), т.е. от значения момента времени t_i. Величина sinF_o-1 при малых отклонениях от 90^о стремится к нулю (к примеру, sin89,90,9999985). Поэтому приращение функции f(t) определяется значением первого слагаемого, заключенного в квадратные скобки в выражении (7), увеличиваясь при увеличении значения отклонения фазового сдвига от 90^о. Оценивают влияние выбора моментов времени t_i. Котангенс определен на интервале 0< t < , его модуль достигает значений в несколько десятков и более при значениях t, близких к нулю или , т. е. на краях рассматриваемого интервала сигнала-делителя, поэтому значениe q в этих областях стремится к нулю. При значении l ctg (2 t/T) l 1, что будет при значениях t₁ T/8 и t₂ 3T/8, величина l q l cosF_o. К примеру, при малых отклонениях в 0,1^о, от фазового сдвига 90^о имеют следующие значения: cos 89,9 0,001745 и l q l 0,1745%

Следовательно, если взять значения сигналов-частного, имеющие различные знаки в эти моменты времени, то их модули различаются почти на 0,35% а если выбирать моменты времени t₁ и t₂ ближе к середине рассматриваемого интервала, то приращения l q l увеличиваются для фиксированного значения F_о.

Аналогично определяется приращение для функции тангенса из выражения (5) по формуле

l q l [(a₃ a₄)/a₄]100% (8) где a₃ K1/[cosF_o + sin F_o ctg (2 t/T]

a₄ Ktg (2 t/T)

Выражение а₃ можно представить в следующем виде:

a₃ [Ktg (2 t/T)]/[tg(2 t/T)cos F_o + +sinF_o]

Тогда выражение (8) после преобразований имеет следующий вид:

l q lcosF_o/[cosF_o +

+ ctg (2 t/T)]100% (9)

При значении l ctg (2 t/T)l 1 при малых отклонениях от 90^о выполняется условие cosF_o << 1, поэтому из выражения (9) получают l q l cosF_o, аналогичное полученному ранее. Если брать моменты времени t₁ и t₂ ближе к середине полупериода сигнала-делителя, то приращения l q l также увеличиваются для фиксированного значения F_о.

Таким образом, при малых отклонениях от фазовых сдвигов 90^о двух синусоидальных функция f(t) сигнала-частного поднимается или опускается относительно оси абсцисс, т.е. нарушается симметрия функции f(t) относительно середины рассматриваемого полупериода сигнала-делителя, а абсолютные значения сигнала-частного в выбранные моменты времени t₁ и t₂, равноотстоящие от середины рассматриваемого полупериода, различаются между собой на величину больше ошибки метода сравнения.

Функциональная схема устройства для определения соотношения фаз двух синусоидальных сигналов представлена на фиг.1.

Устройство содержит блок 1 деления, формирователь 2 импульсов, первый и второй блоки 3 и 4 выборки и хранения, блок 5 сравнения, компаратор 6.

Первые и вторые входы блока 1 деления, причем первый вход для сигнала-делимого, второй вход для сигнала-делителя, подключены к первому и второму входам устройства соответственно. Вход формирователя 2 импульсов подключен к сигналу-делителю, т. е. соединен с вторым входом блока 1 деления, с выходом которого соединены первые входы первого блока 3 и второго блока 4 выборки и хранения. Второй (управляющий) вход первого блока 3 выборки и хранения подключен к первому выходу формирователя 2 импульсов, а второй (управляющий) вход второго блока 4 выборки и хранения подключен к второму выходу формирователя 2 импульсов. Выходы первого блока 3 и второго блока 4 выборки и хранения подключены к первому и второму входам блока 5 сравнения соответственно. К выходу первого блока 3 выборки и хранения подключен информационный вход компаратора 6, второй (управляющий) вход которого подключен к выходу блока 5 сравнения. Выход компаратора 6 подключен к выходу устройства.

Функциональная схема формирователя 2 импульсов представлена на фиг.2. В его состав входят умножители 7 и 8 частоты, элемент И-НЕ 9, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 10.

Первый и второй умножители 7 и 8 частоты соединены последовательно, причем вход первого подключен к входу формирователя 2 импульсов. Первые и вторые входы элементов И-НЕ 9 и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 10 попарно соединены между собой и подключены к входу и выходу второго умножителя 8 частоты соответственно. Выходы элементов И-НЕ 9 и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 10 подключены к первому и второму выходам формирователя 2 импульсов соответственно.

Диаграммы, поясняющие работу устройства при формировании управляющих сигналов, приведены на фиг.3.

Устройство работает следующим образом.

Входные сигналы напряжений U_x(t) и U_y(t) поступают на первый и второй входы блока 1 деления соответственно, причем первый является сигналом-делимым, а второй сигналом-делителем. Сигнал напряжения сигнала-делителя поступает также на вход формирователя 2 импульсов (фиг.3а). На выходе блока 1 деления получают напряжение U₁(t), пропорциональное сигналу-частному от деления двух сигналов U_x(t)/U_y(t), изменяющееся на интервале полупериода сигнала-делителя по закону, близкому к виду функции тангенса или котангенса. Если сигнал-делимое U_x(t), к примеру, опережает сигнал-делитель U_y(t), то U₁(t) имеет вид котангенса. Это напряжение U₁(t) поступает на первый блок 3 и второй блок 4 выборки и хранения, режим работы которых выбирается в соответствии с логическими сигналами управления, формирующимися соответственно на первом и втором выходах формирователя 2 импульсов. Формирование этих логических сигналов управления осуществляется следующим образом,

Входное синусоидальное напряжение U_y(t) сигнала-делителя поступает на первый умножитель 7 частоты, на выходе которого частота сигнала умножается на два и формируется напряжение U₇, приведенное на фиг.3б. Напряжение U₇ с выхода первого умножителя 7 частоты поступает на вход второго умножителя 8 частоты, который умножает частоту сигнала еще на два, и на его выходе формируется напряжение U₈, приведенное на фиг.3в. Напряжения U₇ и U₈ поступают на соответствующие входы логических элементов И-НЕ 9 и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 10, на выходах которых формируются напряжения U₉ и U₁₀ соответственно, которые приведены на фиг.3г и д.

Таким образом, на первом и втором выходах формирователя 2 импульсов получают напряжения U₉ и U₁₀ соответственно, являющиеся логическими сигналами для выбора режима работы для блоков 3 и 4 выборки и хранения. Сигналы логического "0" являются в данном случае сигналом выборки, а сигналы логической "1" являются сигналом хранения. Следовательно, в момент времени t₁ (фиг.3) блок 3 выборки и хранения переходит в режим хранения до момента времени t₃, а в момент времени t₂ блок 4 выборки и хранения переходит в режим хранения до момента времени t₃.

Таким образом, напряжения U₁(t₁) и U₁(t₂), равноотстоящие от середины полупериода сигнала-делителя t_о, поступают на первый и второй входы блока 5 сравнения соответственно. На выходе блока сравнения получают сигнал напряжения U₅, к примеру, при соотношениях фаз исследуемых сигналов, кратных 90^о, в интервале времени измерения t₂ t₃ будет сигнал логического "0". Если это условие не выполняется, то на выходе блока 5 сравнения имеют напряжение U₅ сигнала логической "1" на всех временных интервалах. Это напряжение U₅ с выхода блока сравнения поступает на второй (управляющий) вход компаратора 6, при U₅ логическая "1" блокирует выходной каскад компаратора 6, и на его выходе устанавливается напряжение U₆ 0.

Логический "0" напряжения U₅, который указывает на фазовый сдвиг между исследуемыми сигналами в 90^о, позволяет проводить измерение, и на выходе компаратора 6 получают в интервале времени t₂ t₃ напряжение такого знака, которое соответствует знаку напряжения U₁(t₁) сигнала-частного.

Таким образом, на выходе компаратора 6 получают выходное напряжение U₆ 0 при отсутствии фазового сдвига в 90^о, напряжение U₆ + 1 при опережении по фазе на 90^о сигнала-делимого сигнал-делитель и напряжение U₆ -1 при отставании по фазе на 90^о сигнала-делимого от сигнала делителя.

Устройство выполнено на стандартных элементах по известным схемам [7]

Предлагаемое устройство не только позволяет определять фазовый сдвиг 90^о между синусоидальными сигналами по сравнению с прототипом, но также имеет существенные преимущества перед другими способами по простоте и точности, особенно в инфранизкочастотном диапазоне даже тогда, когда амплитуды исследуемых колебаний значительно различаются между собой, изменяясь при этом в большом динамическом диапазоне.