УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СДВИГА ФАЗ ДВУХ СИГНАЛОВ Российский патент 1995 года по МПК G01R25/00 

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 F_o, лежащих в первом квадранте (O < F_o < 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 F_o 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 F_o 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≅ F_o ≅ π /2:
f(t) K[cosF_o + sinF_o ctg(2 π t/T)] (2) где T 2 π / ω; F_o 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 F_o двух отфильтрованных от постоянной составляющей сигналов, заменяя f(t) и К отношением сигналов в моменты времени t₁ и t₂:
F_o arccos[U_xф(t₁)/U_xф(t₂)] (3) где U_хф 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 U_x(t), является измерительным, а сигнал U_y(t) является опорным. Тогда входной сигнал Ux(t) можно представить, как U_x(t) A_o sin(ω t + F_x) + U_c, где A_o амплитуда; ω круговая частота; F_x начальная фаза; U_c постоянная составляющая входного напряжения U_x(t). Это напряжение U_x(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 U_y(t) B_o sin(ω t + F_y) + U_o с второго входа устройства поступает на вход формирователя импульсов 4. Искомый сдвиг фаз F_o равен F_o F_x F_y.

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 A_o + + U_c; а на выходе второго амплитудного детектора 3 получают напряжение U₃ A_o U_c, где U_c 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 U_5-1 (U₂ + U₃)/2U_x(t₂)-U_c= A_o и U_5-2 (U₂ U₃)/2 U_c.

Напряжение U_5-2 U_c 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 U_y(t) сигнала-делителя достигает своего экстремального значения, поэтому его постоянная составляющая U_o 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 U_5-1 с первого выхода первого сумматора 5 U_5-1 U_x(t₂) U_c, равное амплитуде A_o сигнала U_x(t), и напряжение U₆ с выхода второго сумматора 6, равное U₆ U_x(t₁) U_c в момент времени t₁, когда опорное напряжение U_y(t) достигает своего экстремума (фиг.3а).

Тригонометрический преобразователь 7 выполняет функцию арккосинусного преобразователя, на выходе которого получают напряжение U₇, пропорциональное значению arccos[U₆/U_5-1] где напряжения U₆ и U_5-1 являются напряжениями на первом и втором входах соответственно. Следовательно, напряжение U₇ будет равно U₇arccos{[U_x(t₁)-U_c]/[U_x(t₂)-U_c]arccos{U_хф(t₁)/U_хф(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 U_5-1.

Во втором случае амплитуда сигналов опорного генератора устанавливается равной напряжению амплитуды A_o сигнала U_x(t), это напряжение поступает на один вход блока сравнения тригонометрического преобразователя 7, на второй вход поступает пороговое напряжение U_x(t₁)-U_c, в результате на выходе тригонометрического преобразователя 7 формируется последовательность импульсов напряжения U₇, длительность которых пропорциональна значению arccos{ [U_x(t₁)-U_c]/[U_x(t₂)-U_c]
Схема устройства не изменится, если для определения фазового сдвига использовать значение arcsin{[U_x(t₃)-U_c]/U_x(t₂)-U_c]
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.

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.

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.