Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СООТНОШЕНИЯ ФАЗ ДВУХ СИНУСОИДАЛЬНЫХ СИГНАЛОВ
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СООТНОШЕНИЯ ФАЗ ДВУХ СИНУСОИДАЛЬНЫХ СИГНАЛОВ

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СООТНОШЕНИЯ ФАЗ ДВУХ СИНУСОИДАЛЬНЫХ СИГНАЛОВ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Использование: изобретение может быть применено в измерительной технике, в частности при определении различения синфазности и противофазности двух гармонических сигналов одной частоты. Сущность изобретения: совершая простейшее действие над исследуемыми сигналами - деление их величин друг на друга - по значению знака сигнала-частного определяют различие в синфазности и противофазности при отсутствии различий между величинами сигнала-частного внутри рассматриваемого интервала времени, равного полупериоду сигнала-делителя. 2 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

   С помощью Яндекс:  

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2019846
Класс(ы) патента: G01R25/00
Номер заявки: 93003411/21
Дата подачи заявки: 21.12.1992
Дата публикации: 15.09.1994
Заявитель(и): Келехсаев Борис Георгиевич
Автор(ы): Келехсаев Борис Георгиевич
Патентообладатель(и): Келехсаев Борис Георгиевич
Описание изобретения: Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам определения соотношения фаз двух синусоидальных сигналов, а именно к способам идентификации синфазности и противофазности сигналов напряжения или тока одной частоты, и предназначено для преимущественного использования в прецизионных устройствах инфранизкочастотного диапазона, при этом амплитуды сигналов могут значительно различаться между собой и меняться в широких пределах.
Известны различные способы определения синфазности и противофазности при измерении сдвига фаз разности фаз [1 - 3].
Эти способы характеризуются значительной сложностью из-за большого количества операций, заключающихся в формировании дополнительных импульсов в определенные моменты времени, сравнении временных интервалов, введении коэффициентов модуляции, корреляции и т.п. Кроме значительной сложности этих способов возникает погрешность идентификации синфазности и противофазности при малой амплитуде хотя бы одного из сигналов, особенно в инфранизкочастотной области измерений, причем эта погрешность становится значительной из-за того, что на инфранизких частотах существенно уменьшается скорость изменения сигналов и время срабатывания пороговых устройств становится неоднозначным, причем эта неоднозначность еще больше возрастает при малых значениях амплитуд (или амплитуды хотя бы одного из сигналов).
Известны более простые осциллографические способы определения синфазности и противофазности при измерении разности фаз [4 и 5]. Все эти способы основаны на использовании отклоняющих пластин осциллографа, когда по определенному положению лучевой метки на экране осциллографа судят о синфазности и противофазности исследуемых сигналов.
В способе [4] исследуемые сигналы подают каждый на свою пару отклоняющих пластин.
Идентификация синфазности и противофазности по фигурам Лиссажу из-за конечной разрешающей способности осциллографа, определяемой шириной луча затруднено, к тому же при малом значении амплитуды, хотя бы одного из сигналов, 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.
Наиболее близким техническим решением к заявленному является способ [5] . В соответствии с этим способом исследуемые сигналы подают на отклоняющие пластины ЭЛТ, из одного из сигналов формируют пикообразные импульсы и также подают их на отклоняющие пластины ЭЛТ. На экране осциллографа образуется амплитудная отметка, по положению которой на оси ординат можно судить о параметрах сигналов.
Этому способу свойственны те же недостатки, что и способу [4], т.е. на инфранизких частотах и малых амплитудах сигналов погрешность определения параметров сигналов значительно возрастает. Кроме того, этот способ не позволяет идентифицировать синфазность и противофазность сигналов.
Целью изобретения является расширение функциональных возможностей.
Указанная цель в способе определения соотношения фаз двух синусоидальных сигналов, в соответствии с которым осуществляют взаимодействие исследуемых сигналов, а о соотношении фаз судят по качественной оценке результатов этого взаимодействия, достигается тем, что величины одного исследуемого сигнала делят на величины другого, регистрируют сигнал-частное, выбирают по крайней мере два значения сигнала-частного на временном интервале, расположенном в пределах половины любого периода сигнала-делителя и не превышающем по длительности этот полупериод, причем одно из значений сигнала-частного выбирают экстремальным, и различают синфазность и противофазность сигналов делимого и делителя по значению знака сигнала-частного при отсутствии различия между экстремальной величиной сигнала-частного и любой другой его величиной внутри исследуемого полупериода сигнала-делителя.
При делении двух синусоидальных сигналов одной частоты сигнал-частное представляет собой функцию времени
f(t) = [ A sin( ωt + F1)]/[B sin( ωt + F2)], (1) где Bsin( ωt + F2) ≠ 0;
F1 и F2 - начальные фазы двух исследуемых сигналов;
A и B - 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) можно записать следующим образом для K > 0, 0 ≅ Fо ≅ π/2 и К < 0, π/2 < Fo ≅ π :
f(t) = K[cos Fo + sin Fo ctg (2 π t/T)] (2) где Т = 2 π/ ω;
Fо - разность фаз между исследуемыми колебаниями.
А в случае F2 > F1, F1 = 0 можно записать для К > 0, - π/2 ≅ Fо ≅ 0 и K < 0, - π ≅ Fo ≅ - π/2:
f(t) = K {1/cos Fo + sin Fo ctg (2π t/T)]} (3)
При условии Fo = 0о (условие синфазности), имеем значения sin Fo = 0; cos Fo = 1. Подставляя эти значения в выражения (2) и (3), получаем соответственно
f(t) = [K + K(0/tg ωt)] = K (4)
f(t) = K/[1+0 ctg (2 π t/T)] = K (5)
При условии Fo = ± 180о (условие противофазности), имеем значения sin Fo = 0, cos Fo = -1. Подставляя их в выражения (2) и (3), получаем соответственно
f(t) = [-K+K(0/tg ωt)] = -K (6)
f(t) = K/[-1+0 ctg 2 π t/T] = -K. (7)
Следовательно, в случае синфазности получаем функцию f(t) в виде прямой линии, численно равной значению плюс К, т.е.
f(t) = +K.
В случае противофазности получаем функцию f(t) в виде прямой линии, численно равной значению минус К, т.е.
f(t)= -К
При малых отклонениях от идеальной синфазности и противофазности к полученным значениям ±К добавляется значение, образованное из вторых слагаемых, заключенных в квадратные скобки выражений (4) - (7), в которых вместо нуля подставляется значение sin Fo. Так как значения tg ωt и ctg ωt рассматриваются на интервале полупериода сигнала-делителя, т.е. 0 < ωt < 180, то значения слагаемых, которые прибавляются или вычитаются из значений ±К выражений (4) - (7), максимальны по абсолютной величине в начале и в конце рассматриваемого полупериода.
Таким образом, при малых отклонениях от синфазности и противофазности двух синусоидальных сигналов значения функции f(t) сигнала-частного в начале или конце каждого рассматриваемого полупериода отклоняются от значений ±К.
Следовательно, на синфазность или противофазность указывает значение знака сигнала-частного, когда экстремальное значение сигнала-частного (максимальное или минимальное) в сравнении с любым другим на данном интервале внутри рассматриваемого полупериода не различаются между собой с учетом ошибки выбранного метода сравнения.
Количественная оценка возможностей предлагаемого способа проведена как путем осциллографирования исследуемых сигналов, так и на компьютере.
На фиг.1 показано устройство, реализующее предлагаемый способ.
В первом варианте устройство для реализации способа содержит блок 1 деления и осциллограф 2, вход которого подключен к выходу блока 1 деления, а на два входа последнего подают синусоидальные сигналы Ux(t) и Uy(t). В качестве блока деления был использован цифровой вольтметр В7-23, работающий в режиме деления, и выбран осциллограф типа С1-83. Сигналы Ux(t) и Uy(t) имеют частоту f = 0,2 Гц и амплитуды соответственно Uх = 200 мВ и Uу = 20 мВ. Сдвиг фаз между сигналами задаются с помощью фазосдвигающей RC-цепи, а сами сигналы формируются из синусоидального сигнала с выхода генератора типа ГЗ-110, выходная амплитуда сигнала U = 2000 мВ делится в 10 и в 100 раз соответственно.
По второму варианту способ был проверен на компьютере IВМ РС/АТ. Синусоидальные сигналы с частотой f = 0,2 Гц и менее при частоте дискретизации 200 Гц и амплитудами с условными единицами А = 2000 и В = 20000 моделируются с помощью компьютера со значениями разности фаз, которые задает оператор. В соответствии с программой компьютер делит сигналы, и на экране дисплея оператор наблюдает характер изменения функции f(t) на каждом из полупериодов сигнала-делителя.
Примеры полученных графиков функций f(t) Fo = 0,1о и Fo = -179,9о при частоте колебаний 0,2 Гц представлены на фиг.2а, б.
Проведенные исследования показали, что для различных сочетаний параметров исследуемых колебаний по амплитуде и частоте, синфазность и противофазность четко различались и при малых значениях амплитуд и при малых значениях частот вплоть до отклонений от синфазности и противофазности менее 0,01, а значения частот составляли сотые доли герца.
Один из современных цифровых фазометров, например, типа Ф2-34 позволяет определять разности фаз, но гарантирует возможность измерения до значений Fo = 0,2о на частотах не ниже 1 Гц, что гораздо хуже по точности, чем предлагаемый способ.
Эффективность при различении синфазности и противофазности в области инфранизкочастотных колебаний и при малой величине хотя бы одного из сигналов достигается за счет того, что в способе не используется, как в других известных способах (1-3), ряд операций, являющихся источником погрешностей - измерение моментов времени пересечения сигналами уровня опорного напряжения, сравнение длительностей сформированных импульсов и другие.
Формула изобретения: СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СООТНОШЕНИЯ ФАЗ ДВУХ СИНУСОИДАЛЬНЫХ СИГНАЛОВ, в соответствии с которым осуществляют взаимодействие исследуемых сигналов, а о соотношении фаз судят по качественной оценке результатов этого взаимодействия, отличающийся тем, что величины одного исследуемого сигнала делят на величины другого, регистрируют сигнал-частное, выбирают по крайней мере два значения сигнала-частного на временном интервале, расположенном в пределах половины любого периода сигнала-делителя и не превышающем по длительности этот полупериод, причем одно из значений сигнала-частного выбирают экстремальным, и различают синфазность и противофазность сигналов делимого и делителя по значению знака сигнала-частного при отсутствии различия между экстремальной величиной сигнала-частного и любой другой его величиной внутри исследуемого полупериода сигнала-делителя.