УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СООТНОШЕНИЯ ФАЗ ДВУХ СИНУСОИДАЛЬНЫХ СИГНАЛОВ Российский патент 1995 года по МПК G01R25/00 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам определения соотношения фаз двух синусоидальных сигналов напряжения или тока одинаковой частоты, при определении знака разности фаз F_o и определении квадрантов измерения, то есть идентификацииF_o| < 90^о или 90^о <F_o| < 180^о, и предназначено для преимущественного использования в инфранизкочастотном диапазоне, при этом амплитуды сигналов могут значительно различаться между собой и меняться в широких пределах.

Известны различные устройства определения сдвига фаз F_o, которые позволяют определять квадранты измеренияF_o| < 90^о или 90^о <F_o| <180^о, а также определять и знак разности фаз [1-3]
Такие устройства характеризуются значительной сложностью из-за большого количества вспомогательных устройств и элементов, использующихся для формирования дополнительных импульсов в определенные моменты времени, сравнения временных интервалов, определения коэффициентов модуляции, корреляции и осуществления других довольно сложных функциональных преобразований.

Кроме громоздкости таких устройств, у них возникают погрешности в определении знака разности фаз при малых фазовых сдвигах, а также кратных 90^о, особенно при малой амплитуде хотя бы одного из сигналов, частота которых лежит в инфранизкочастотном диапазоне.

В указанных условиях погрешность определения знака разности фаз становится значительной из-за того, что на инфранизких частотах существенно уменьшается скорость изменения сигналов и время срабатывания пороговых устройств становится неоднозначным, при этом длительности формируемых дополнительных импульсов имеют значительный разброс, что в целом увеличивает погрешность определения знака разности фаз и квадранта измерения.

Известно устройство для определения соотношения фаз, содержащее основные и дополнительные формирователи, два триггера и логические элементы И-НЕ [4]
Устройство характеризуется недостаточной точностью измерения разности фаз при малых амплитудах сигналов в инфранизкочастотном диапазоне при значениях сдвигов фаз близких и кратных 90^о, кроме этого нельзя определить квадранты значений фазовых сдвигов.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому по большему количеству сходных существенных признаков является устройство для определения соотношения фаз между сигналами, содержащее три формирователя импульсов, один из которых является компаратором, подключенных к трем входам устройства, два из которых сигнальные, а третий опорный, счетчик импульсов, генератор, регистры и блок сравнения, подключенный к выходу устройства [5]
Недостатком устройства является значительное возрастание погрешности измерения при малых амплитудах исследуемых сигналов в инфранизкочастотной области и особенно при значениях разности фаз между ними близких к нулю или кратных 90^о, кроме этого нельзя идентифицировать квадранты значений фазовых сдвигов F_o.

Целью изобретения является уменьшение погрешности с расширением функциональных возможностей.

Это достигается тем, что в устройство, содержащее формирователь импульсов, вход которого соединен с одним из входов устройства, компаратор и блок сравнения, подключенный к первому выходу устройства, дополнительно содержит два блока выборки и хранения и блок деления, причем два входа блока деления один для сигнала-делимого, другой для сигнала-делителя, подключены к двум входам устройства, выход блока деления соединен с первыми входами первого и второго блоков выборки и хранения, выходы которых соединены с первым и вторым входами блока сравнения соответственно, первый выход формирователя импульсов соединен с вторым, управляющим входом первого блока выборки и хранения, второй выход формирователя импульсов соединен с вторым, управляющим входом второго блока выборки и хранения, выход последнего соединен с входом компаратора, выход которого соединен с вторым выходом устройства; формирователь импульсов содержит последовательно соединенные фазовращатель, первый компаратор и логический элемент И-НЕ, а также второй компаратор, вход которого соединен с входом фазовращателя и подключен к входу формирователя импульсов, выход второго компаратора подключен к первому выходу формирователя импульсов и второму входу логического элемента И-НЕ, выход последнего соединен со вторым выходом формирователя импульсов.

На фиг. 1 изображена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 функциональная схема формирователя импульсов; на фиг.3 временные диаграммы, поясняющие формирование управляющих импульсов.

Предлагаемое устройство содержит блок 1 деления, формирователь 2 импульсов, первый блок 3 выборки и хранения, второй блок 4 выборки и хранения, блок 5 сравнения и компаратор 6.

Два входа блока 1 деления подключены к двум сигнальным входам устройства отмечены сигналами U_x(t), U_y(t) на фиг.1. Вход формирователя 2 импульсов подключен к сигнальному входу устройства, на который поступает сигнал-делитель U_y(t). Выход блока 1 деления подключен к первым входам блоков 3 и 4 выборки и хранения. Выходы блоков 3 и 4 выборки и хранения соединены с первым и вторым входом блока 5 сравнения, соответственно. Первый выход формирователя 2 импульсов соединен с вторым, управляющим входом первого блока 3 выборки и хранения. Второй управляющий вход второго блока 4 выборки и хранения соединен с вторым выходом формирователя 2 импульсов. Вход компаратора 6 подключен к выходу второго блока 4 выборки и хранения. Выходы блока 5 сравнения и компаратора 6 соединены с первым и вторым выходами устройства соответственно.

Формирователь импульсов содержит фазовращатель 7, первый и второй компараторы 8 и 9, логический элемент И-НЕ 10.

Блоки в формирователе 2 импульсов соединены следующим образом.

Формирователь 7, первый компаратор 8 соединены последовательно. Вход формирователя 2 соединен с входами фазовращателя 7 и второго компаратора 9. Выходы первого компаратора 8 и второго компаратора 9 соединены с первым и вторым входами логического элемента И-НЕ 10. Выходы второго компаратора 9 и логического элемента И-НЕ 10 соединены с первым и вторым выходами формирователя 2 импульсов соответственно.

Устройство работает следующим образом.

Синусоидальные сигналы напряжений U_x(t) и U_y(t) поступают на два входа блока деления 1, к примеру, U_x(t) является сигналом-делимым, а напряжение U_y(t) является сигналом-делителем.

При делении двух синусоидальных сигналов одной частоты сигнал-частное представляет собой функцию времени:
f(t) [Asin(wt+F1)]/[Bsin(wt+F2)] (1) где Bsin(wt+F2) ≠ 0; F1 и F2 фазы двух исследуемых сигналов;
А и В 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 < F_o < Π/2 и K < 0, Π/2 < F_o < Π:
f(t) K[cosF_o + sinF_octg(2 Π t/T)] (2) где Т 2 /w;
F_o разность фаз между исследуемыми колебаниями.

А в случае F2 > F1, F1 0 можно записать для K > 0, Π/2 < F_o < 0 и K< 0, -Π<F_o < Π/2:
f(t) K{1/[cosF_o + sinF_o ctg(2 Π t/T)] (3)
Для выражений (2) и (3) в моменты времени, когда вторые слагаемые обращаются в ноль, что имеет место на середине рассматриваемого полупериода сигнала-делителя, по знаку функции f(t) легко определять квадранты значений фазового сдвига F_o: F_o| < 90^о при положительном значении f(t);
90^о <Fo|< 180^о при отрицательном значении f(t).

Следовательно, частное от деления двух гармонических сигналов U_x(t) и U_y(t) будет представлять собой периодическую, прерывную функцию, изменяющуюся по закону, близкому к "тангенсу" или "котангенсу", и в зависимости от знака разности фаз исходных сигналов будет представлять собой либо убывающую функцию на каждом полупериоде Т сигнала-делителя U_y(t) для положительной разности фаз, либо возрастающую функцию для отрицательной разности фаз. Приближенность зависимостей обусловлена тем, что в начале и конце каждого полупериода функция сигнала-частного будет иметь не бесконечные, а некоторые конечные значения С1 и С2.

Сигнал-частное, напряжение U1 поступает на входы первого и второго блоков 3 и 4 выборки, хранения, которые управляются сигналами напряжения U2-1 и U2-2 с первого и второго выходов формирователя 2 импульсов соответственно, поступающими в определенной временной последовательности.

На вход формирователя 2, а следовательно, на вход фазовращателя 7 поступает входное напряжение сигнала-делителя U_y(t). На выходе этого фазовращателя получают синусоидальное напряжение U7, сдвинутое по фазе относительно входного на 90^о. Это напряжение U7 поступает на вход первого компаратора 8, на выходе которого получают прямоугольные импульсы напряжения U8, представленные на фиг. 3а. Второй компаратор 9 формирует из входного напряжения сигнала-делителя импульсы первого выходного напряжения U2-1, представленные на фиг.3б. Эти импульсы напряжений U8 и U2-1 поступают на логический элемент И-НЕ, на выходе которого получают импульсы второго выходного напряжения U2-2, представленные на фиг.3в. Прямоугольные импульсы логической единицы первого выходного напряжения U2-1 длительностью в половину периода входного синусоидального сигнала имеют передний фронт, соответствующий началу рассматриваемого положительного полупериода, а начало импульса логического нуля второго выходного напряжения U2-2 соответствует середине того же полупериода сигнала-делителя.

Сигнал напряжения U2-1 поступает на второй, управляющий вход первого блока 3 выборки и хранения, и по сигналу логической единицы переводит блок 3 выборки и хранения в режим хранения. На его выходе устанавливается напряжение U3, равное напряжению U1 сигнала-частного, которое она имела в начале рассматриваемого полупериода сигнала-делителя. Это напряжение U3=C1 хранится до конца рассматриваемого интервала времени (фиг.3).

Сигнал напряжения U2-2 со второго выхода формирователя импульсов 2 поступает на второй, управляющий вход второго блока 4 выборки и хранения. Сигнал импульса логического нуля этого напряжения U2-2 в момент времени достижения сигналом-делителем своего максимума переводит второй блок 4 выборки и хранения в режим "хранение" фиг.3,в. В это время на выходе первого блока 3 выборки и хранения получают напряжение U3, которое соответствует экстремальному значению напряжения U1 в начале рассматриваемого полупериода сигнала-делителя.

Таким образом, в течение времени, соответствующего второй половине рассматриваемого полупериода сигнала-делителя, на первый вход блока сравнения 5 поступает напряжение U3, соответствующее напряжению U1=C1 в начале рассматриваемого полупериода сигнала-делителя, а на второй вход блока сравнения 5 поступает напряжение U4, соответствующее напряжению U1=C2 в середине этого полупериода.

Если, к примеру напряжение С1>C2, что соответствует убывающей функции сигнала-частного напряжению U1, следовательно, при положительном знаке разности фаз между сигналом-делимым и сигналом-делителя, то в интервале второй половины рассматриваемого полупериода получают первое выходное напряжение U5=U_вых1 в виде импульса логической единицы. Если С1 < C2, что соответствует возрастающей функции при отрицательном знаке разности фаз между сигналом-делимым и сигналом-делителя, то в интервале второй половины рассматриваемого полупериода получают первое выходное напряжение U5 U_вых1 в виде импульса логического нуля. По сигналам напряжения U2-1, соответствующего логического нуля, и напряжения U2-2, соответствующего импульсу логической единицы, происходит перевод первого и второго блоков 3 и 4 выборки и хранения в режим выборки, после чего цикл измерений повторяется.

В момент времени, соответствующего сигналу логического нуля управляющего напряжения U2-2, компаратор 6 формирует второе выходное напряжение устройства U6 U_вых2, которое соответствует знаку напряжения U4, т.е. знаку напряжения U1, которое оно имеет в момент времени, соответствующий середине рассматриваемого полупериода сигнала-делителя. Следовательно, по знаку последовательности импульсов напряжения U6 в интервале второй половины рассматриваемого полупериода судят о значении квадрантов значений разности фаз F_o, к примеру, при положительном значении напряжения U4 определяютF_o| < 90^о, а при отрицательном значении U4 определяют квадранты значений фазового сдвига F_o, как 90^o <F_o|< 180^о.

Таким образом, при положительном знаке разности фаз, когда U_x(t) опережает U_y(t), на первом выходе устройства в интервале второй половины рассматриваемого полупериода сигнала-делителя будет последовательность положительных импульсов напряжения U5, как в приведенном примере. При отрицательном знаке разности фаз, т.е. когда U_y(t) опережает U_x(t), выходной сигнал во второй половине рассматриваемого полупериода с первого выхода будет иметь вид отрицательных импульсов напряжения U5. При значениях фазового сдвига F_o между сигналом-делимого и сигнала-делителя, удовлетворяющих условиюF_o| < 90^о, получают для этого же временного интервала последовательность положительных импульсов напряжения U6 на втором выходе устройства, а при выполнении условия 90^о <F_o| <180^о, получают последовательность импульсов отрицательной полярности.

Таким образом, о знаке разности фаз между исследуемыми сигналами и о квадрантах значений фазового сдвига F_o, судят по полярности последовательности импульсов в одном и том же временном интервале рассматриваемого полупериода сигнала-делителя с первого и второго выходов устройства.

Получаемая таким образом информация нужна, к примеру, в цифровых устройствах измерения фазы, и тогда полученные последовательности преобразуют в управляющие импульсы для общей цифровой измерительной схемы.

Если эта информация необходима при самостоятельной регистрации, то в этом случае сигналы напряжений со второго выхода формирователя импульсов 2 используют для блокировки выходных каскадов блоков 5 сравнения и компаратора 6 (на схеме устройства не показаны). Тогда полярность последовательности выходных импульсов определяют, например, с помощью индикатора с разнополярным выходным сигналом или используют как логические управляющие импульсы.

Заявляемое устройство выполнено на стандартных элементах: блок деления 1 выполнен четырехквадрантным [6a] так как на него поступают сигналы разной полярности и изменяющиеся во времени. Формирователь импульсов 2 может быть построен разными способами, к примеру, фазовращатель 7 аналогично приведенному в [6б] компараторы 8 и 9 приведены в [6в] Логический элемент в виде микросхемы серии 564. Блоки 3 и 4 выборки и хранения представлены в [6г] Блок сравнения выполнен на дифференциальном усилителе, аналогично [6д] Компаратор 6 приведен в [6в]
Заявляемое устройство позволяет определять квадрант значений фазового сдвига F_o и знак разности фаз с высокой разрешательной способностью, где другие устройства работают со значительной погрешностью, а именно в инфранизкочастотной области и при значениях сдвигов фаз, близких или кратных 90^о. При этом к точностным характеристикам блоков устройства не предъявляются высокие требования, так как точность определения заложена в способе, которое реализует устройство.

При испытании устройства с помощью задающего генератора синусоидальных колебаний низкой частоты и моделирования на персональном компьютере анализ напряжений на выходе блока деления показал, что даже при частотах 0,2 Гц и абсолютном значении разности фаз 0,1^о значения С1 и С2 частей сигнала на выходе блока деления отличались между собой не менее, чем на 20% и легко различались.

Известное устройство современный цифровой фазометр типа Ф2-34 позволяет определять кроме сдвига фаз и знак разности фазы, но гарантирует сохранение точности измерений до значения сдвига фазыF_o| 0,2 ^o на частоте не ниже 1 Гц.

Применение: изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам определения соотношения фаз двух синусоидальных сигналов одинаковой частоты, при определении знака разности фаз и определении квадрантов измерения, т.е. идентификации или и предназначено для преимущественного использования в инфранизкочастотном диапазоне, при этом амплитуды сигналов могут значительно различаться между собой и меняться в широких пределах. Сущность изобретения: устройство содержит блок 1 деления, формирователь 2 импульсов, первый 3 и второй 4 блоки выборки и хранения, блок 5 сравнения, компаратор 6, первую и вторую входные шины, первую и вторую выходные шины с соответствующими связями. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СООТНОШЕНИЯ ФАЗ ДВУХ СИНУСОИДАЛЬНЫХ СИГНАЛОВ, содержащее формирователь импульсов, вход которого соединен с одним из входов устройства, компаратор и блок сравнения, подключенный к первому выходу устройства, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит два блока выборки и хранения и блок деления, причем два входа блока деления один для сигнала-делимого, другой для сигнала-делителя подключены к двум входам устройства, выход блока деления соединен с первыми входами первого и второго блоков выборки и хранения, выходы которых соединены с первым и вторым входами блока сравнения соответственно, первый выход формирователя импульсов соединен с вторым, управляющим, входом первого блока выборки и хранения, второй выход формирователя импульсов с вторым управляющим, входом второго блока выборки и хранения, выход последнего соединен с входом компаратора, выход которого соединен с вторым выходом устройства. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что формирователь импульсов содержит последовательно соединенные фазовращатель, первый компаратор и логический элемент И НЕ, а также второй компаратор, выход которого соединен с входом фазовращателя и подключен к входу формирователя импульсов, выход второго компаратора подключен к первому выходу формирователя импульсов и второму входу логического элемента И НЕ, выход последнего соединен с вторым выходом формирователя импульсов.