способ определения частоты синусоидального сигнала
Классы МПК: | G01R23/02 устройства для измерения частоты; например частоты следования импульсов; устройства для измерения периодов тока или напряжения |
Патентообладатель(и): | Келехсаев Борис Георгиевич |
Приоритеты: |
подача заявки:
1993-12-24 публикация патента:
20.09.1997 |
Способ определения частоты синусоидального сигнала. Использование: способ предназначен для использования его в измерительной технике при определении частоты гармонических сигналов. Сущность изобретения: для повышения точности измерения при высоком быстродействии входной сигнал Xt задерживают на эталонный интервал времени t, регистрируют задержанный входной сигнал Yt, формируют первый и второй дополнительные сигналы, сдвинутые по фазе на угол /2 в сторону опережения без изменения амплитуд относительно сигналов Xt, Yt соответственно, измеряют мгновенные значения дополнительных сигналов одновременно с входным сигналом, а частоту f определяют согласно математическому выражению:
,
где ti - момент времени измерения четырех мгновенных значений сигналов: , в результате получают низкую погрешность определения частоты исследуемого сигнала при высоком быстродействии. 2 ил.
Рисунок 1
,
где ti - момент времени измерения четырех мгновенных значений сигналов: , в результате получают низкую погрешность определения частоты исследуемого сигнала при высоком быстродействии. 2 ил.
Формула изобретения
Способ определения частоты синусоидального сигнала, основанный на одновременном измерении мгновенных значений входного сигнала Хt и входного сигнала Yt, задержанного на эталонный интервал времени t, отличающийся тем, что формируют первый Xt и второй Yt дополнительные сигналы, сдвинутые по фазе на угол /2 в сторону опережения без изменения амплитуд относительно сигналов Хt, Yt соответственно, измеряют мгновенные значения дополнительных сигналов одновременно с входным сигналом, а частоту f определяют согласно математическому выражениюгде ti момент времени измерения четырех мгновенных значений сигналов;
B квадрат амплитуды входного сигнала, равный е
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для прецизионного измерения частоты гармонического сигнала за время, меньшее полупериода измеряемого сигнала. К способу предъявляются высокие требования по точности измерений при высоком быстродействии. Известен способ измерения частоты гармонического сигнала [1] основанный на измерении дискретных значений амплитуды сигнала с частотой дискретизации 3F, где F частота, соответствующая верхней границе диапазона измерений, суммируют первое и третье значения амплитуды, делят эту сумму на удвоенное второе и получают значение частного, определяют некоторый множитель K, используя полученное значение частного, а значение частоты измеряют как произведение частоты дискретизации F на этот множитель K. Недостатком способа является большая погрешность измерений при значениях сигналов, близких к нулю. Известен другой способ измерения частоты синусоидального сигнала [2] при котором стабилизируют сигнал по амплитуде на заранее фиксированном уровне, дифференцируют его и выделяют амплитуду сигнала, пропорционального измеряемой частоте. Недостатки способа низкое быстродействие, ограниченный диапазон измерений. Известен другой способ измерения частоты синусоидального сигнала [3] при котором стабилизируют сигнал по амплитуде на заранее фиксированном уровне, интегрируют его и выделяют амплитуду сигнала, пропорционального измеряемой частоте. Недостатки способа аналогичны [3] низкое быстродействие, ограниченный диапазон измерений. Известен другой способ определения частоты синусоидального сигнала [4] при котором формируют эталонный промежуток времени, измеряют мгновенные значения контролируемого напряжения, фиксируют три из них U1, U2, U3, следующие через эталонные интервалы времени t, а частоту f определяют согласно математическому выражению:f = (1/2t)arccos[(U1+U3)/2U2].
Недостатком способа является большая погрешность измерений при работе с малыми значениями измеряемого сигнала. Известен другой способ определения частоты синусоидального сигнала [5] при котором формируют дополнительный сигнал, сдвинутый по фазе на 90o в сторону опережения, измеряют две пары мгновенных значений измеряемого и дополнительного сигналов через эталонный интервал времени, а частоту определяют согласно математическому выражению:
где U11, U12 и U21, U22 мгновенные значения соответственно измеряемого и дополнительного сигналов. Способ обладает достаточно высоким быстродействием, но ограниченной величиной эталонного интервала времени t, энаменатель не принимает нулевых значений, что позволяет проводить измерения в любой момент времени, однако при уменьшении значений t точность определения частоты снижается из-за снижения чувствительности при значениях косинуса, близких к 1. Известен другой способ измерения частоты синусоидального сигнала [6] основанный на функциональном преобразовании значения частного, полученного от деления двух результатов интегрирования, проведенных в определенных временных окнах. Недостатком способа является большая погрешность измерений при работе с малыми значениями измеряемого сигнала, низкое быстродействие. Наиболее близким по своему техническому решению является способ определения частоты синусоидального сигнала [7] основанный на измерении мгновенных значений входного сигнала Xt и входного сигнала Yt, задержанного на эталонный интервал времени t с последующим функциональным преобразованием измеренных мгновенных значений напряжения. Недостатком способа является большая погрешность измерений в области малых величин сигнала. Цель изобретения повышение точности измерений при высоком быстродействии. Цель в способе определения частоты синусоидального сигнала, основанном на одновременном измерении мгновенных значений входного сигнала Xt и входного сигнала Yt, задержанного на эталонный интервал времени t, отличающийся тем, что формируют первый X"t и второй Y"t дополнительные сигналы, сдвинутые по фазе на угол /2 в сторону опережения без изменения амплитуд относительно сигналов Xt, Yt соответственно, измеряют мгновенные значения дополнительных сигналов одновременно с входным сигналом, а частоту f определяют согласно математическому выражению:
где ti момент времени измерения четырех мгновенных значений сигналов;
На фиг. 1 представлено устройство для реализации способа, содержащее: блок 1 задержки, два фазовращателя 2 и 3, блок 4 выборки и хранения, цифровой блок 5 для вычислений. Блоки в устройстве соединены следующим образом. Вход устройства соединен с входами блока 1 задержки, первым фазовращателем 2 и первым входом блока 4 выборки и хранения, второй вход которого подключен к выходу первого фазовращателя 2. Выход блока 1 задержки подключен к входу второго фазовращателя 3 и третьему входу блока 4 выборки и хранения, четвертый вход которого подключен к выходу второго фазовращателя 3. Результат вычисления регистрируется цифровым блоком 5, связанным по информационным и управляющим шинам с блоком 4 выборки и хранения. На фиг.2 представлены диаграммы, поясняющие работу устройства и существо способа определения частоты синусоидального сигнала. На фиг. 2а представлен входной синусоидальный сигнал Xt с амплитудой А. На фиг. 2б представлен задержанный с помощью блока 1 задержки на эталонный интервал времени t синусоидальный сигнал Yt, имеющий ту же амплитуду А, что и входной сигнал Xt. Входной сигнал Xt сдвигают по фазе первым фазовращателем 2 на угол /2 в сторону опережения относительно сигнала Xt без изменений амплитуды и получают сигнал X"t, представленный на фиг. 2в. Сигнал Yt сдвигают по фазе вторым фазовращателем 3 на угол /2 в сторону опережения относительно сигнала Yt без изменения амплитуды и получают сигнал Y"t, представленный на фиг. 2г. Величина фазового сдвига между сигналами Xt, Yt соответствует эталонному интервалу времени t, а сдвиг фазы 180o соответствует полупериоду T/2 исследуемых колебаний. Поэтому справедливо следующее равенство:
Переходя от периода колебаний T к частоте f, из (1) получим
В каждый момент времени ti фазу F(Xti) сигнала Xt и фазу F(Yti) сигнала Yt можно представить в следующем виде:
F(Xti) arc sin X, (3)
F(Yti) arc sin Y, (4)
где X Xti/A и Y Yti/A;
B A амплитуда исследуемого сигнала. Величину сдвига фаз между сигналами Xt, Yt можно представить в следующем виде:
Так как в нашем случае XY1, то справедливо выражение:
Из (5) и (6) получим следующее выражение:
После упрощения (7) получим следующее выражение:
Из (3) и (4) следует, что XtiAsinF(Xti), YtiAsinF(Yti). Учитывая, что для сформированных сигналов X"t и Y"t выполняются соотношения X"ti AcosF(Xti), Y"ti AcosF(Yti), заменим в уравнении (8) подкоренные выражения значениями сформированных сигналов:
При этом справедливы следующие соотношения:
Из (10) и (11) следуют следующие соотношения:
После упрощения (9) получим:
После подстановки (14) в (2) окончательно получим:
где или
A2 (Xti)2 +(X"ti)2 B или A2 (Yti)2 + (Y"ti)2 B. Таким образом, получили выражение (15) для определения частоты синусоидального сигнала с помощью четырех мгновенных значений сигналов. По сравнению с прототипом предложенный способ имеет преимущества, измерения можно проводить с высокой точностью при любых величинах исследуемого сигнала в момент времени ti, так как знаменатель не принимает нулевых значений. При достаточно малых эталонных интервалах времени t по сравнению с периодом исследуемых сигналов разрешательная способность предложенного способа выше, чем у прототипа, так как при малых значениях углов чувствительность arcsin гораздо выше, чем arccos, а при ограниченном диапазоне измеряемых частот можно обойтись без вычислений обратных тригонометрических функций, так как в этом случае можно пользоваться приблизительным равенством arcsinX X. Источники информации
1. Авт. св. СССР N 1241141, кл. G01R 23/00. 2. Авт. св. СССР N 1275309, кл. G 01R 23/00. 3. Авт. св. СССР N 1302205, кл. G 01R 23/00. 4. Авт. св. СССР N 1185260, кл. G 01R 23/00. 5. Авт. св. СССР N 1471145, кл. G 01R 23/00. 6. Авт. св. СССР N 1780036, кл. G 01R 23/00. 7. Авт. св. СССР N 1659893, кл. G 01 R 23/00 (прототип).
Класс G01R23/02 устройства для измерения частоты; например частоты следования импульсов; устройства для измерения периодов тока или напряжения