устройство для определения фазовых сдвигов сигналов с известным отношением их амплитуд

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФАЗОВЫХ СДВИГОВ СИГНАЛОВ С ИЗВЕСТНЫМ ОТНОШЕНИЕМ ИХ АМПЛИТУД, содержащее блок деления, блок выборки и хранения, тригонометрический преобразователь, управляемый инвертор и формирователь импульсов, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит амплитудный детектор и блок сравнения, причем два входа блока деления первый для сигнала-делимого, второй для сигнала-делителя, соединены с соответствующими входами устройства, последовательно с блоком деления соединены блок выборки и хранения, тригонометрический преобразователь и управляемый инвертор, выход которого подключен к выходу устройства, вход сигнала-делителя подключен к входу формирователя импульсов, выход которого соединен с управляющим входом блока выборки и хранения, выход блока деления соединен с входом амплитудного детектора, выход которого подключен к первому входу блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока выборки и хранения, выход блока сравнения подключен к второму управляющему входу управляемого инвертора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения фазовых сдвигов двух синусоидальных электрических сигналов, а именно для измерения отклонений от синфазности или противофазности между сигналами, отношение амплитуд которых известно, 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 при высоком быстродействии.

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

Устройство характеризуется невысоким быстродействием и незначительной точностью определения 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.

Известно устройство для измерения фазового сдвига между двумя напряжениями [2] 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.

Известно устройство для измерения фазового сдвига двух синусоидальных сигналов [3] содержащее модулятор, генератор несущей частоты, фильтр низкой частоты, регистратор, демодулятор, множительное устройство, которое имеет преимущество перед [2]

Однако это устройство имеет невысокую точность, так как используется много промежуточных действий модуляция, демодуляция, перемножение.

Точность измерений 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 устройством выборки и хранения, который измеряет и запоминает четыре мгновенных сигнала в одно и тоже время (два после фильтра и два после фазосдвигающих блоков), а разность фаз определяют с помощью решающего блока, который реализует математическую зависимость

F_o= signU₁₁[arccos U₁₂/]-signU₂₁[arccos U₂₂/]

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

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

Целью изобретения является повышение точности измерений при увеличении быстродействия.

Цель в устройстве для определения фазовых сдвигов сигналов с известным отношением их амплитуд, содержащем блок деления, блок выборки и хранения, тригонометрический преобразователь, управляемый инвертор и формирователь импульсов, достигается тем, что оно дополнительно содержит амплитудный детектор и блок сравнения, причем два входа блока деления, первый для сигнала-делимого, второй для сигнала-делителя, соединены с соответствующими входами устройства, последовательно с блоком деления соединены блок выборки и хранения, тригонометрический преобразователь и управляемый инвертор, выход которого подключен к выходу устройства, вход сигнала-делителя подключен к входу формирователя импульсов, выход которого соединен с управляющим входом блока выборки и хранения, выход блока деления соединен с входом амплитудного детектора, выход которого подключен к первому входу блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока выборки и хранения, выход блока сравнения подключен к второму, управляющему входу управляемого инвертора.

Сущность изобретения заключается в следующем. При делении двух синусоидальных сигналов одной частоты сигнал-частное представляет собой функцию времени:

f(t) [A sin ( t + F₁)]/[B sin ( t + F₂)] (1) где B sin ( t + F₂) 0; F₁ и F₂ фазы двух исследуемых сигналов;

A и В амплитуды исследуемых колебаний.

Функция f(t) периодическая прерывная функция и по виду напоминает функцию тангенсов или котангенсов, так как в случае F₁ > F_2, F₂ 0 выражение (1) можно записать в виде

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

В случае F₂ > F₁, F₁ 0 можно записать

f(t) K{1/[cos F_o + sin F_o ctg (2 t/T)] (3)

Из выражений (2) и (3) видно, что в моменты времени, когда вторые слагаемые обращаются в ноль, что имеет место на середине рассматриваемого полупериода сигнала-делителя, определяют значение фазового сдвига по формулам

F_o arccos l [f(t)/K] l для 0 < F_o < 90 и (4)

F_o -arccosl [f(t)/K] l для -90 < F_o < 0. (5)

Из выражений (2) и (3) следует также, что частное от деления двух гармонических сигналов U_x(t) и U_y(t) представляет собой периодическую прерывную функцию, изменяющуюся по закону, близкому к тангенсу или котангенсу, и в зависимости от знака разности фаз исходных сигналов представляет собой либо убывающую функцию на каждом полупериоде Т сигнала-делителя U_y(t) для положительной разности фаз F_o > 0, либо возрастающую функцию для отрицательной разности фаз F_o < 0.

Функциональная схема устройства представлена на чертеже.

Устройство для измерения фазовых сдвигов сигналов с известным отношением их амплитуд содержит блок 1 деления, блок 2 выборки и хранения, тригонометрический преобразователь 3, управляемый инвертор 4, формирователь 5 импульсов, амплитудный детектор 6, блок 7 сравнения.

Первый и второй входы устройства, соответствующие сигналу-делимому и сигналу-делителю соответственно соединены с первым и вторым входами блока 1 деления. К выходу блока деления подключен первый вход блока 2 выборки и хранения, к выходу которого подключен вход тригонометрического преобразователя 3. К выходу тригонометрического преобразователя подключен первый вход управляемого инвертора 4, выход которого соединен с выходом устройства. Вход устройства, соответствующий сигналу-делителю, соединен с входом формирователя 5 импульсов, выход которого подключен к второму, управляющему входу блока 2 выборки и хранения. Выход блока 1 деления соединен с входом амплитудного детектора 6, выход которого подключен к первому входу блока 7 сравнения. Второй вход блока сравнения соединен с выходом блока 2 выборки и хранения, а выход блока сравнения соединен с вторым, управляющим входом управляемого инвертора 4.

Устройство работает следующим образом.

Исследуемое напряжение синусоидальной формы, например U_x(t), является сигналом-делимым, а напряжение U_y(t) сигналом-делителем. Тогда выходной сигнал U_x(t) поступает на первый вход блока 1 деления, а входное напряжение U_y(t) поступает одновременно на второй вход блока деления и на вход формирователя 5 импульсов. На выходе блока 1 деления получают напряжение U₁(t) U_x(t)/U_y(t), которое поступает на первый вход блока 2 выборки и хранения и на вход амплитудного детектора 6.

Формирователь 5 импульсов формирует на своем выходе логические выходные импульсы напряжений U₅, которые поступают на второй, управляющий вход блока 2 выборки и хранения и осуществляют выбор его режима работы.

Формирователь 5 импульсов может быть построен различными путями, к примеру с помощью умножителя частоты на два. Тогда выходное напряжение сигнала-делителя U_y(t) поступает на вход формирователя импульсов, на выходе которого получают последовательность импульсов напряжений U₅, частота которых в два раза больше исследуемых сигналов, с длительностью импульса логической "1", соответствующей первой половине полуволны сигнала-делителя. Вторая половина полуволны сигнала-делителя соответствует импульсу логического "0". Импульс логической "1" является управляемым сигналом, который переводит блок 2 в режим "выборка", а логический "0" напряжения U₅ переводит блок 2 в режим "хранение".

Следовательно, в момент времени, соответствующий экстремальному значению сигнала-делителя, на выходе блока 1 деления имеют напряжение U₁ f(t) K cos F_o. Это напряжение поступает на вход блока 2 выборки и хранения, коэффициент передачи которого устанавливается равным 1/K, поэтому на его выходе устанавливается напряжение U₂, пропорциональное значению cos F_o из выражений (4), (5). Это напряжение U₂ cos F_o поступает на вход тригонометрического преобразователя 3, который является арккосинусным преобразователем, на его выходе получают напряжение U₃ l F_o larccos F_o. Напряжение U₃ поступает на вход управляемого инвертора 4, на выходе которого получают напряжение U₄ U₃, знак которого соответствует знаку разности фаз исследуемых колебаний. Знак фазового сдвига F_o определяют следующим образом.

Напряжение U₁(t) с выхода блока 1 деления поступает на вход амплитудного детектора 6, на выходе которого получают напряжение U₆, пропорциональное амплитуде сигнала напряжения U₁. Это напряжение U₆ поступает на первый вход блока 7 сравнения, на второй вход которого поступает напряжение U₂ с выхода блока 2 выборки и хранения. В момент сравнения напряжение U₂ соответствует напряжению U₁ в момент времени, когда напряжение сигнала-делителя достигает своего экстремума, т.е. в конце первой половины полуволны. Напряжение U₆ в зависимости от того, убывающая ли функция f(t) U₁(t) F_o > 0 или возрастающая F_o < 0, имеет значение напряжения U₆ > U₂ для первого случая и U₆ < U₂ для второго случая. Следовательно, на выходе блока 7 сравнения получают сигнал напряжения U₇, соответствующий, к примеру, логической "1" для F_o > 0 и логическому "0" для F_o < 0.

Это напряжение U₇ поступает на второй, управляющий вход управляемого инвертора 4, коэффициент передачи которого имеет значение +1 или -1 в зависимости от управляемого напряжения U₇, поэтому на выходе управляемого инвертора 4 получают выходное напряжение, равное U₄ arccos F_o для F_o > 0 и напряжение U₄ -arccos F_o для F_o < 0.

Устройство выполнено на стандартных элементах. Блок 1 деления выполнен четырехквадрантным [5a] Блок 2 выборки и хранения построен как в [5б] Тригонометрический преобразователь 3 аналогичен [6] Управляемый инвертор 4 [5в] В качестве формирователя 5 импульсов применен умножитель частоты на два [5г] Амплитудный детектор 6 [5д] Блок сравнения 7 [5e]

Достоинством предлагаемого устройства является быстродействие и высокая точность измерений, не снижающаяся даже при инфранизкочастотных измерениях в условиях большого динамического диапазона. Анализ погрешности используемых в устройстве звеньев и блоков показывает, что суммарная погрешность составляет около 0,1% что является более высоким показателем по сравнению с погрешностями современных цифровых приборов для измерения фазовых сдвигов инфранизкочастотного диапазона.