СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СИНФАЗНОСТИ ИЛИ ПРОТИВОФАЗНОСТИ ДВУХ СИНУСОИДАЛЬНЫХ СИГНАЛОВ Российский патент 1995 года по МПК G01R25/00 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам определения соотношений фаз, в частности к способам определения синфазности или противофазности двух синусоидальных сигналов напряжения или тока одной частоты, и предназначено для преимущественного использования в устройствах, работающих на инфранизких частотах, когда амплитуды сигналов могут значительно различаться между собой и изменяться в широких пределах.

Известны различные способы определения соотношений фаз двух синусоидальных сигналов при измерении их разности фаз [1, 2, 3] Эти способы довольно сложные, так как требуют формирования дополнительных импульсов в определенные моменты времени, сравнения временных интервалов, введения коэффициентов модуляции, корреляции и т.п. Это ведет к дополнительным погрешностям измерения при малой амплитуде хотя бы одного из сигналов, особенно в инфранизкочастотной области измерений, из-за уменьшения скорости изменения сигналов, что ведет к неоднозначности времени срабатывания пороговых устройств.

Известны более простые осциллографические способы определения соотношений фаз двух синусоидальных сигналов [4,5]
В способе [4] исследуемые сигналы подают каждый на свою пару отклоняющих пластин. При этом определение синфазности и противофазности по фигурам Лиссажу затруднено из-за конечной разрешающей способности осциллографа, определяемой шириной луча, к тому же при малом значении амплитуды хотя бы одного из сигналов регистрация исследуемых напряжений будет осуществляться на нелинейном участке отклоняющего напряжения. Кроме того, погрешность регистрации исследуемых сигналов с помощью осциллографа возрастает в инфранизкочастотном диапазоне из-за трудностей количественных оценок измерений.

В способе [5] 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 судят о параметрах сигналов.

Этому способу свойственны те же недостатки, что и способу [4] то есть на инфранизких частотах и малых амплитудах сигналов погрешность определения параметров сигналов сильно возрастает.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому по общим используемым признакам является способ [6] определения соотношений фаз двух синусоидальных сигналов, основанный на анализе результата взаимодействия исследуемых сигналов на выбранном интервале времени, в соответствии с которым регистрируют сигнал-частное от деления величин одного исследуемого сигнала на величины другого, 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, так, чтобы в пределах этого интервала два выбранных значения сигнала-частного различались между собой по величине больше возможной погрешности сравнения этих значений, и определяют параметры сигналов делимого и делителя по характеру отличий выбранных значений сигнала-частного.

Способ имеет преимущества в области инфранизких частот и при малой величине хотя бы одного из сигналов, так как не использует ряд операций, являющихся источником погрешностей в других способах [1-3] таких как измерение моментов времени пересечения сигналами уровня опорного напряжения, сравнение длительностей сфоpмированных импульсов и другие.

Однако способ не позволяет определять синфазность или противофазность исследуемых сигналов.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей при измерениях.

Цель в способе определения синфазности или противофазности двух синусоидальных сигналов, основанном на анализе результата взаимодействия исследуемых сигналов на выбранном временном интервале, в соответствии с которым величины одного исследуемого сигнала делят на величины другого, регистрируют сигнал-частное, достигается тем, что сигнал-частное усредняют на выбранном интервале времени, а синфазность или противофазность сигналов делимого и делителя определяют, когда ни одно из регистрируемых мгновенных значений сигнала-частного не отличается от его усредненного значения на величину, большую ошибки выбранного метода сравнения: интервал времени для усреднения выбирают таким образом, чтобы его середина совпадала с серединой одной из по-луволн сигнала-делителя.

Сущность изобретения заключается в том, что регистрируют значения сигнала-частного от деления величин исследуемых сигналов друг на друга, которые усредняют на выбранном интервале времени, и определяют синфазность или противофазность этих сигналов, когда ни одно из регистрируемых мгновенных значений сигнала-частного не отличается от их усредненного значения на величину больше ошибки выбранного метода сравнения.

При делении двух синусоидальных сигналов одинаковой частоты сигнал-частное представляет собой функцию времени:
f(t)= A sin ( ωt+F₁)]/[B sin (ω t+F₂)] (1) где В sin (ωt+F₂)≠0; F₁ и F₂ фазы двух исследуемых сигналов; А и В амплитуды исследуемых колебаний.

Функция будет прерывной, периодической функцией и по виду напоминать функции тангенсов или котангенсов [6]
В случае F₁>F₂, F₂=0 выражение (1) можно записать аналогично с [6] следующим образом для К>0, 0<F_o < π/2 и К<0, π/2<F_o<π
f(t)=K[cos F_o+sin F_o ctg (2 πt/T)] (2) где Т=2π /ω F_o разность фаз между исследуемыми колебаниями.

В случае F₂>F₁, F₁= 0 можно записать для К> 0, π/2< F_o< 0 и К<0, π< F_o<-π/2 [6]
f (t)=K{1/[cosF_o+sin F_o ctg(2 πt/T)] (3)
Положив F_o= 0 (условие синфазности), будем иметь значения sin F_o=0; cos F_o=1. Подставляя эти значения в выражения (2) и (3) получим соответственно:
f (t)=[K+K(0/tg ωt)]K; (4)
f (t)=K/[1+0 ctg (2 πt/T)]K (5)
Положив F_o=+180 (условие противофазности), будем иметь значения sin F_o= 0, cos F_o=-1. Подставляя их в выражения (2) и (3), получим соответственно:
f (t)=[-K+K(0/tg ωt)]-K; (6)
f (t)=K/[-1+0 ctg 2 πt/T]-K (7)
Следовательно, в случае синфазности или противофазности получим функцию f(t), соответствующую сигналу-частному, в виде прямой линии, численно равной константе, значению +К, то есть f(t)=+K. При малых отклонениях от идеальной синфазности или противофазности к полученным значениям +К будет добавляться значение, образованное из вторых слагаемых, заключенных в квадратные скобки выражений (4)-(7), в которых вместо нуля подставляется значение sinF_o. Так как значения tg ωt и ctg ωt рассматриваются на интервале полупериода сигнала-делителя, то есть 0< ωt<180, то значения слагаемых, которые прибавляются или вычитаются из значений +К выражений (4)-(7), будут максимальны по абсолютной величине в начале и в конце рассматриваемого полупериода [6] При усреднении значений сигнала-частного будут получать усредненное значение, равное по величине значению К. Таким образом, при отклонениях от синфазности и противофазности двух синусоидальных сигналов значения функции f(t) сигнала-частного в начале или конце каждой рассматриваемой полуволны сигнала-делителя будут отклоняться от усредненного значения f_c, что и будет указывать на отклонение от синфазности или противофазности между сигналами, а при отсутствии различий между регистрируемыми мгновенными значениями сигнала-частного и усредненного значений f_c с учетом ошибки выбранного метода сравнения будет указывать на синфазность или противофазность между исследуемыми сигналами.

Количественная оценка возможностей предлагаемого способа была проведена как путем осциллографирования исследуемых сигналов, так и с помощью компьютера. В первом варианте устройство для реализации способа (фиг. 1) содержит блок 1 деления и блок индикации осциллограф 2, вход которого подключен к выходу блока 1 деления, а на два входа последнего подают синусоидальные сигналы Х(t) и Y(t). В качестве блока деления был использован цифровой вольтметр В7-23, работающий в режиме деления, и выбран осциллограф типа С1-83. Сигналы Х(t) и Y(t) имели частоту f=0,2 Гц и амплитуду соответственно х=200 мВ и y=20 мВ. Сдвиг фаз между сигналами изменялся с помощью фазосдвигающей RC-цепи, а сами сигналы формировались из синусоидального сигнала с выхода генератора типа ГЗ-110, выходная амплитуда сигнала U=2 ˙10² мВ делилась в 10 и в 100 раз соответственно.

По второму варианту способ был проверен на компьютере IBM РС/AT. Синусоидальные сигналы с частотой f=0,2 Гц при частоте дискретизации 200 Гц и амплитудами с условными единицами А=2˙10³ и В=2 ˙10² моделировались с помощью компьютера со значениями разности фаз, которые задавал оператор. В соответствии с программой компьютер делил сигналы, и на экране дисплея можно было наблюдать характер изменения функции f(t) на каждом из полупериодов сигнала-делителя.

Пример полученного графика для случая F_o=0,1^о представлен на фиг. 2. Проведенные исследования показали, что для различных сочетаний параметров исследуемых колебаний по амплитуде и частоте синфазность или противофазность четко определялись и при малых значениях амплитуд, и при инфранизких значениях частот.

Один из лучших на сегодня цифровой фазометр Ф2-34 позволяет определять разности фаз, но гарантирует точность измерений до значений F_o=0,2^о на частотах не ниже 1 Гц.

Эффективность определения синфазности или 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.

Применение: изобретение может быть использовано в измерительной технике, в частности при определении соотношений фаз двух гармонических сигналов одной частоты. Сущность изобретения: регистрируют значения сигнала - частного, полученные от деления величин исследуемых сигналов друг на друга, которые усредняют на выбранном интервале времени, и определяют синфазность или противофазность этих сигналов, когда ни одно из регистрируемых мгновенных значений сигнала-частного не отличается от их усредненного значения на величину, больше ошибки выбранного метода сравнения. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СИНФАЗНОСТИ ИЛИ ПРОТИВОФАЗНОСТИ ДВУХ СИНУСОИДАЛЬНЫХ СИГНАЛОВ, основанный на анализе результата взаимодействия исследуемых сигналов на выбранном временном интервале, в соответствии с которым величины одного исследуемого сигнала делят на величины другого, регистрируют сигнал-частное, отличающийся тем, что сигнал-частное усредняют на выбранном интервале времени, а синфазность или противофазность сигналов делимого и делителя определяют, когда ни одно из регистрируемых мгновенных значений сигнала-частного не отличается от его усредненного значения на величину, большую ошибки выбранного метода сравнения. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что интервал времени для усреднения выбирают таким, чтобы его середина совпала с серединой одной из полуволн сигнала-делителя.