Forbidden

You don't have permission to access /zzz_siteguard.php on this server.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СДВИГА ФАЗ ДВУХ СИГНАЛОВ - Патент РФ 2046360
Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СДВИГА ФАЗ ДВУХ СИГНАЛОВ
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СДВИГА ФАЗ ДВУХ СИГНАЛОВ

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СДВИГА ФАЗ ДВУХ СИГНАЛОВ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Применение: изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам измерения сдвига фаз двух гармонических сигналов, и может быть использовано в фазометрах инфранизкочастотного диапазона,при калибровке измерительных каналов и обработке регистрируемых сигналов. Сущность изобретения: устройство содержит блок выборки хранения, первый и второй амплитудные детекторы, формирователь импульсов, первый и второй сумматоры, тригонометрический преобразователь, первую и вторую входные шины, выходную шину с соответствующими связями. 1 з. п. ф лы, 4 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

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: 2046360
Класс(ы) патента: G01R25/00
Номер заявки: 93030485/10
Дата подачи заявки: 03.06.1993
Дата публикации: 20.10.1995
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 устройствам измерения сдвига фаз двух гармонических сигналов, и может быть использовано в фазометрах инфранизкочастотного диапазона, при калибровке измерительных каналов. К устройству предъявляются требования обеспечения высокой точности измерения разности фаз Fo, лежащих в первом квадранте (O < Fo < π/2), для сигналов, допускающих изменение амплитуд в широком динамическом диапазоне при наличии постоянных составляющих в сигналах.
Известно простое устройство определения сдвига фаз [1] содержащее перемножитель этих исследуемых сигналов и устройство, выделяющее постоянную составляющую полученного от перемножения сигналов. Величина напряжения этой постоянной составляющей пропорциональна абсолютному значению фазового сдвига.
Устройство характеризуется незначительной точностью определения, особенно в инфранизкочастотной области, из-за необходимости выделять постоянную составляющую с высокой точностью, полученную от перемножения сигналов, погрешность существенно возрастает при наличии постоянной составляющей, хотя бы в одном из сигналов.
Более сложные устройства позволяют повысить точность. Так, в [2] рассмотрено устройство для измерения фазового сдвига между двумя напряжениями, 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, фильтры нижних частот с соответствующими связями.
Устройство измеряет вместо искомого значения разности фаз другие значения разности фаз, при этом измеряет также и отношение частот, поэтому точность такого устройства невысока, особенно при наличии постоянной составляющей в одном или обоих сигналах.
В [3] предложено устройство для измерения фазового сдвига двух синусоидальных сигналов, содержащее модулятор, генератор несущей частоты, фильтр низкой частоты, регистратор, демодулятор, множительное устройство, которое имеет преимущество перед [2] однако оно является невысоким по точности, так как используется много промежуточных действий модуляция, демодуляция, перемножение. Точность измерений существенно снижается при уменьшении амплитуды исследуемых сигналов и при наличии постоянной составляющей в исследуемых сигналах.
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 π/2 в сторону опережения, и аналоговый запоминающий блок с устройствами выборки-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 управляемого блока регистрации по формуле Fo signU11[arccosU12/ signU21[arccosU22/
Как видно из этого выражения, устройство содержит блоки деления, функциональные преобразователи, содержащие сумматоры, квадраторы, блоки извлечения квадратного корня, тригонометрические преобразователи, сумматоры с блоками управления знаком (управляемыми усилителями).
В результате погрешность измерения фазового сдвига будет велика особенно в области инфранизких частот из-за наличия четырех составляющих погрешностей от измерений четырех мгновенных значений. При уменьшении величин исследуемых сигналов погрешность увеличивается из-за величины остаточной постоянной составляющей на выходе каждого из фильтров и фазосдвигающих блоков. Эти постоянные составляющие можно учитывать в каждом из четырех измерительных каналов, однако при этом будет очень громоздкая схема для коррекции величин постоянных составляющих даже для измерения Fo в одном квадранте.
Целью изобретения является повышение точности измерения при наличии в сигналах постоянных составляющих.
Цель в устройстве для измерения сдвига фаз двух сигналов, содержащем блок выборки-хранения, информационный вход которого соединен с первым входом устройства, тригонометрический преобразователь и два сумматора, достигается тем, что оно дополнительно содержит формирователь импульсов и два амплитудных детектора, входы которых подключены к первому входу устройства, выходы первого и второго амплитудных детекторов подключены к первому и второму входам первого сумматора, соответственно, первый выход которого подключен к первому входу тригонометрического преобразователя, второй вход которого подключен к выходу второго сумматора, первый и второй входы которого соединены со вторым выходом первого сумматора и выходом блока выборки-хранения, соответственно, вход формирователя импульсов подключен к второму входу устройства, а выход к управляющему входу блока выборки-хранения, выход тригонометрического преобразователя является выходом устройства; первый сумматор содержит блок суммирования и блок вычитания, соответствующие входы которых попарно соединены между собой и подключены к первому и второму входам первого сумматора, соответственно, выходы блока суммирования и блока вычитания подключены к первому и второму выходам первого сумматора, соответственно.
При делении двух синусоидальных (отфильтрованных от постоянной составляющей) сигналов x(t), y(t) одной частоты сигнал-частное f(t) x(t)/y(t) представляет собой функцию времени:
f(t) [Asin(ω t + F1)]/[Bsin(ω t + F2)] (1) где Bsin(ω t + F2) ≠0; F1 и F2 начальные фазы двух исследуемых сигналов; A и B амплитуды исследуемых колебаний.
Функция f(t) будет периодической прерывной функцией и по виду напоминать функции тангенсов или котангенсов.
В случае F1 > F2, F2 0 выражение (1) можно записать следующим образом для K > 0, 0≅ Fo ≅ π /2:
f(t) K[cosFo + sinFo ctg(2 π t/T)] (2) где T 2 π / ω; Fo разность фаз между исследуемыми колебаниями.
На середине рассматриваемого полупериода сигнала-делителя вторые слагаемые обращаются в ноль, поэтому для (2) получим выражение для определения значений фазового сдвига Fo двух отфильтрованных от постоянной составляющей сигналов, заменяя f(t) и К отношением сигналов в моменты времени t1 и t2:
Fo arccos[U(t1)/U(t2)] (3) где Uхф отфильтрованный от постоянной составляющей сигнал;
t1 момент времени, когда опорный сигнал напряжения Uy(t) достигает своего экстремума;
t2 момент времени, когда измерительный сигнал напряжения Ux(t) достигает своего экстремума.
На фиг.1 представлена функциональная схема устройства.
Устройство для измерения сдвига фаз двух сигналов содержит блок 1 выборки-хранения, первый и второй амплитудные детекторы 2 и 3, формирователь 4 импульсов, первый сумматор 5, второй сумматор 6, тригонометрический преобразователь 7.
Блоки в устройстве соединены между собой следующим образом. Первый вход устройства соединен с входами первого и второго амплитудных детекторов 2 и 3, а также с первым входом блока 1 выборки, хранения. Второй вход устройства соединен со входом формирователя 4 импульсов, выход которого подключен ко второму (управляющему) входу блока 1 выборки-хранения. Выходы первого амплитудного детектора 2 и второго амплитудного детектора 3 подключены, соответственно, к первому и второму входам первого сумматора 5. Первый и второй выходы первого сумматора 5 соединены с первым входом тригонометрического преобразователя 7 и первым входом второго сумматора 6 соответственно. Выход блока 1 выборки-хранения соединен с вторым входом второго сумматора 6, выход которого соединен с вторым входом тригонометрического преобразователя 7.
На фиг. 2 представлена структурная схема первого сумматора 5. Первый сумматор 5 содержит блок 8 суммирования и блок 9 вычитания. Соответствующие входы блока 8 суммирования и блока 9 вычитания попарно соединены между собой и подключены к первому и второму входам первого сумматора 5, соответственно. Выходы блока суммирования 8 и блока вычитания 9 соединены с первым и вторым выходами первого сумматора 5 соответственно.
Устройство работает следующим образом. Один из исследуемых гармонических сигналов (см.фиг.3а), например Ux(t), является измерительным, а сигнал Uy(t) является опорным. Тогда входной сигнал Ux(t) можно представить, как Ux(t) Ao sin(ω t + Fx) + Uc, где Ao амплитуда; ω круговая частота; Fx начальная фаза; Uc постоянная составляющая входного напряжения Ux(t). Это напряжение Ux(t) с первого входа устройства поступает одновременно на входы первого амплитудного детектора 2, второго амплитудного детектора 3 и первый вход блока 1 выборки-хранения. Входной опорный сигнал напряжения Uy(t) Bo sin(ω t + Fy) + Uo с второго входа устройства поступает на вход формирователя импульсов 4. Искомый сдвиг фаз Fo равен Fo Fx Fy.
Первый амплитудный детектор 2 выделяет амплитуду положительной полуволны, а второй амплитудный детектор 3 выделяет амплитуду отрицательной полуволны измерительного сигнала напряжения Ux(t). Следовательно, на выходе первого амплитудного детектора 2 получают напряжение U2 Ao + + Uc; а на выходе второго амплитудного детектора 3 получают напряжение U3 Ao Uc, где Uc постоянная составляющая сигнала Ux(t). Напряжения U2 и U3 соответственно поступают на первый и второй входы первого сумматора 5, а именно на соответствующие входы блоков 8 суммирования и вычитания 9, имеющих коэффициенты передачи K2 K3 0,5. При суммировании и вычитании напряжений U2 и U3 на выходе первого сумматора 5 получают, соответственно, напряжения U5 - 1 (U2 + U3)/2Ux(t2)-Uc= Ao и U5 - 2 (U2 U3)/2 Uc.
Напряжение U5 - 2 Uc поступает на первый вход второго сумматора 6, на второй вход которого поступает напряжение U1 с выхода блока 1 выборки-хранения.
Формирователь 4 импульсов формирует логические сигналы напряжения U4, которые являются управляющими сигналами для блока 1 выборки-хранения. Они поступают на второй (управляющий) вход блока 1 выборки-хранения. Формирование этих выходных импульсов U4 поясняется диаграммой фиг.3б. логическая единица напряжения U4 является сигналом "хранение" и появляется в момент времени t1, когда напряжение Uy(t) сигнала-делителя достигает своего экстремального значения, поэтому его постоянная составляющая Uo не влияет на формирование сигнала "Хранение". Логический "0" является сигналом "выборка" для блока 1 выборки-хранения. На фиг.4в-г показано, как формируются выходные импульсы в интервале времени, соответствующем режиму "Хранение", начинающемуся с момента времени t1 и стремящемуся к моменту времени t3.
Таким образом, на соответствующие входы тригонометрического преобразователя 7 в период времени "Хранение", соответствующий интервалу времени от t1 до t3, поступают напряжения U5 - 1 с первого выхода первого сумматора 5 U5 - 1 Ux(t2) Uc, равное амплитуде Ao сигнала Ux(t), и напряжение U6 с выхода второго сумматора 6, равное U6 Ux(t1) Uc в момент времени t1, когда опорное напряжение Uy(t) достигает своего экстремума (фиг.3а).
Тригонометрический преобразователь 7 выполняет функцию арккосинусного преобразователя, на выходе которого получают напряжение U7, пропорциональное значению arccos[U6/U5 - 1] где напряжения U6 и U5- 1 являются напряжениями на первом и втором входах соответственно. Следовательно, напряжение U7 будет равно U7arccos{[Ux(t1)-Uc]/[Ux(t2)-Uc]arccos{Uхф(t1)/Uхф(t2)]
Тригонометрический преобразователь 7 можно построить разными путями, сначала выполнив операцию деления, например, с помощью последовательно соединенных блока деления и тригонометрического преобразователя, на выходе которого получают напряжение постоянного тока, пропорциональное напряжению на выходе блока деления. Или с помощью тригонометрического преобразователя импульсного действия с опорным генератором, на выходе такого преобразователя получают импульсы, длительность которых пропорциональна частному от деления сигналов напряжения U6 и U5 - 1.
Во втором случае амплитуда сигналов опорного генератора устанавливается равной напряжению амплитуды Ao сигнала Ux(t), это напряжение поступает на один вход блока сравнения тригонометрического преобразователя 7, на второй вход поступает пороговое напряжение Ux(t1)-Uc, в результате на выходе тригонометрического преобразователя 7 формируется последовательность импульсов напряжения U7, длительность которых пропорциональна значению arccos{ [Ux(t1)-Uc]/[Ux(t2)-Uc]
Схема устройства не изменится, если для определения фазового сдвига использовать значение arcsin{[Ux(t3)-Uc]/Ux(t2)-Uc]
При необходимости определения знака и расширения интервала измеряемых фазовых сдвигов в устройство следует добавить блок определения соотношения фаз и управляемый сумматор.
Устройство для измерения фаз двух сигналов построено с помощью стандартных элементов. Блок 1 выборки-хранения построен, как в [5] в качестве амплитудных детекторов 2 и 3 можно использовать пиковые детекторы, аналогичные [5] Формирователь 4 импульсов состоит из последовательно соединенных фильтра верхних частот и компаратора знака, как представлено в [5] Сумматоры 5 и 6 можно выполнить аналогично приведенному в [5] В качестве тригонометрического преобразователя 7, к примеру, можно использовать арккосинусный преобразователь, как в [6]
Достоинством предлагаемого устройства является сохранение высокой точности измерений на инфранизких частотах при наличии в сигналах постоянных составляющих в условиях, когда амплитуды сигналов изменяются в большом динамическом диапазоне.
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. Достоинством предлагаемого устройства является также возможность с его помощью изготавливать малогабаритную, экономичную, но прецизионную измерительную аппаратуру.
Формула изобретения: 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СДВИГА ФАЗ ДВУХ СИГНАЛОВ, содержащее блок выборки-хранения, информационный вход которого соединен с первым входом устройства, тригонометрический преобразователь, первый и второй сумматоры, отличающееся тем, что в него введены формирователь импульсов, первый и второй амплитудные детекторы, входы которых подключены к первому входу устройства, выходы к первому и второму входам первого сумматора соответственно, первый выход которого подключен к первому входу тригонометрического преобразователя, второй вход которого подключен к выходу второго сумматора, первый и второй входы которого соединены с вторым выходом первого сумматора и выходом блока выборки-хранения соответственно, вход формирователя импульсов подключен к второму входу устройства, а выход к управляющему входу блока выборки-хранения, выход тригонометрического преобразователя является выходом устройства.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что первый сумматор содержит блок суммирования и блок вычитания, соответствующие входы которых попарно соединены между собой и подключены к первому и второму входам первого сумматора соответственно, выходы блока суммирования и блока вычитания подключены к первому и второму выходам первого сумматора соответственно.