УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СДВИГА ФАЗ ГАРМОНИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ Российский патент 1998 года по МПК G01R25/00 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для определения фазочастотных характеристик четырехполюсника. К устройству предъявляются требования по быстродействию при измерении сдвигов фаз между гармоническими сигналами в диапазоне от -П до +П.

Известно простое устройство определения сдвига фаз [1], содержащее перемножитель этих исследуемых сигналов и устройство, выделяющее постоянную составляющую полученных от перемножения выделяющее постоянную составляющую от перемножения сигналов. Величина напряжения этой постоянной составляющей пропорциональна абсолютному значению фазового сдвига.

Устройство характеризуется низким быстродействием, незначительной точностью определения фазовых сдвигов, особенно в инфранизкочастотной области из-за необходимости выделять постоянную составляющую с высокой точностью.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому по большему количеству сходных технических признаков является устройство для измерения фазового сдвига двух синусоидальных сигналов [2], содержащее устройство выборки-хранения, информационный вход которого соединен с первым входом устройства, блок деления, тригонометрический преобразователь, формирователь управляющих импульсов, пиковый детектор, блок определения соотношения фаз для определения знака разности фаз двух гармонических сигналов, блок определения синфазности, усилитель с регулируемым коэффициентом передачи и управляемый сумматор с соответствующими связями. В устройстве измеряют два мгновенных значения одного из сигналов в определенные моменты времени: в момент t1, когда первый сигнал достигает своего экстремума и в момент времени t2, когда второй сигнал достигает своего экстремума, а значение сдвига фаз F₀ определяют с использованием тригонометрических соотношений и определением фазовых соотношений исследуемых сигналов.

Измерения мгновенных значений сигналов в различные моменты времени t1 и t2 ограничивают быстродействие устройства.

Целью изобретения является повышение быстродействия.

Цель в устройстве для измерения сдвига фаз гармонических сигналов, содержащем формирователь импульсов, первый блок выборки и хранения, первый блок деления, тригонометрический преобразователь, источник опорного напряжения, усилитель с регулируемым коэффициентом передачи и сумматор, причем выходом устройства является выход сумматора, первый вход которого подключен к выходу усилителя с регулируемым коэффициентом передачи, первый вход устройства подключен к входу формирователя импульсов, выход которого подключен к управляющему входу первого блока выборки и хранения, выход которого подключен к первому входу первого блока деления, выход которого подключен к входу тригонометрического преобразователя, достигается тем, что в него введен второй блок деления, блок дифференцирования, второй блок выборки и хранения, первый и второй компараторы, причем второй вход второго блока деления является вторым входом устройства, первый вход которого подключен к первому входу второго блока деления, выход которого соединен с информационным входом первого блока выборки и хранения и входом блока дифференцирования, выход которого подключен к информационному входу второго блока выборки и хранения, управляющий вход которого подключен к выходу формирователя импульсов, выходы первого и второго блоков выборки и хранения подключены соответственно к входу первого компаратора и к второму входу первого блока деления, выход которого подключен к входу второго компаратора, выход источника опорного напряжения, выходы первого и второго блоков выборки и хранения подключены соответственно к первому, второму и третьему входам усилителя с регулируемым коэффициентом передачи, выход тригонометрического преобразователя подключен к второму входу сумматора.

Сущность изобретения заключается в том, что измерения производят в одной точке временной оси, что повышает быстродействие. Устройство реализует способ [3] измерения сдвига фаз гармонических сигналов, основанный на измерении мгновенных значений сигналов X(t) и Y(t) в момент времени t1, когда сигнал Y(t) достигает своего экстремума, при этом значения сигнала X(t) делят на значения сигнала Y(t), в момент времени t1 определяют значение сигнала-частотного f(t1)= X(t1)/Y(t1) и значение его производной f¹(t1), после чего значение сдвига фаз F₀ сигнала-делимого X(t) относительно сигнала-делителя Y(t) определяют по формуле:
Fo=Пn-arctg[f¹(t1)/f(t1)],
где n=0 при f(t1)>0;
n=1 при f(t1)<0 и f¹(t1)<0;
n=-1 при f(t1)<f¹(t1)>0.

Предлагаемое устройство реализует выражение (1) для определения сдвига фаз F₀.

Функциональная схема устройства представлена на чертеже.

Устройство содержит формирователь 1 импульсов, второй блок 2 деления, блок 3 дифференцирования, первый и второй блоки 4 и 5 выборки и хранения, первый блок 6 деления, первый и второй компараторы 7 и 8, тригонометрический преобразователь 9, источник 10 опорного напряжения, усилитель 11 с регулируемым коэффициентом передачи, сумматор 12.

Блоки в устройстве соединены между собой следующим образом.

Первый и второй входы устройства подключены к одноименным входам второго блока 2 деления. Вход формирователя 1 импульсов подключен к первому входу устройства. Выход второго блока 2 деления подключен к информационному входу первого блока 4 деления и к входу блока 3 дифференцирования, выход которого подключен к информационному входу второго блока 5 выборки и хранения. Выходы первого и второго блоков 4 и 5 выборки и хранения подключены соответственно к первому и второму входам первого блока 6 деления. Управляющие входы первого и второго блоков 4 и 5 выборки и хранения подключены к выходу формирователя 1 импульсов. Вход первого компаратора 7 соединен с выходом первого блока 4 выборки и хранения. Входы второго компаратора 8 и тригонометрического преобразователя 9 соединены с выходом первого блока 6 деления. Выход источника 10 подключен к первому входу усилителя 11 с регулируемым коэффициентом передачи, второй и третий входы которого подключены соответственно к выходам первого и второго компараторов 7 и 8. Выход усилителя 11 с регулируемым коэффициентом передачи подключены к первому входу сумматора 12, второй вход которого подключен к выходу тригонометрического преобразователя. Выход сумматора является выходом устройства.

Устройство работает следующим образом. Входные сигналы напряжений U_y(t) и U_x(t), соответствующие сигналам Y(t), X(t), поступают на первый и второй входы устройства соответственно.

Входное гармоническое напряжение U_y(t) поступает также на вход формирователя 1 импульсов, на выходе которого формируются логические сигналы напряжения U1, управляющие режимом работы первого и второго блоков 4 и 5 выборки и хранения. Частота импульсов синхронизирована с частотой синусоидального сигнала U_y(t) и в два раза превышает частоту исследуемых сигналов. Сигналы логического "0" являются в данном случае сигналом выборки, а сигналы логической "1" являются сигналом хранения. В момент времени t1, соответствующий положительному фронту импульса, первый и второй блоки 4 и 5 переходят в режим "хранение", длящийся четверть периода - вторую половину полуволны, после чего в следующую четверть периода, соответствующую первой половин полуволны, первый и второй блоки 4 и 5 переходят в режим выборки.

На выходе второго блока 2 деления получают напряжение U2, пропорциональное частному от деления входных напряжений, то есть U2=U_x(t)/U_y(t), которое соответствует функции f(t) из выражения (1). Это напряжение U2 поступает на вход блока 3 дифференцирования, на выходе которого получают напряжение U3, пропорциональное первой производной напряжения U2. То есть, можно записать, что напряжение U3 пропорционально функции f¹(t) из выражения (1).

Таким образом, на информационный вход первого блока 4 выборки и хранения поступает напряжение U2, пропорциональное функции f(T), а на информационный вход второго блока 5 выборки и хранения поступает напряжение U3, пропорциональное функции f¹(t).

В момент времени t1, когда напряжение U_y(t) достигает экстремума, на первый вход первого блока 1 деления с выхода первого блока 4 выборки и хранения поступает напряжение U4=U4(t1)=f(t1), а на второй вход первого блока 1 деления с выхода второго блока 5 выборки и хранения поступает напряжение U5= U5(t1)=f¹(t1).

На выходе первого блока 6 деления каждую четверть периода, соответствующую вторым половинам полуволн гармонического напряжения U_y(t), "хранится" напряжение U6 = U6(t1) = [f¹(t1)/f(t1)]. Это напряжение U6 поступает на вход тригонометрического преобразователя 9, выходное напряжение которого пропорционально функции arctg [f¹(t1)/f(t1)]. Напряжение U9 может изменяться в интервале от -(U10/2) до +(U10/2) и соответствует значениям углов в интервале от -(П/2) до +(П/2). На его выходе получают напряжение U9 = -U9(t1)=-arctg [f¹(t1)/f(t1)].

Напряжение U4 = f(t1) поступает на вход первого компаратора 7, на выходе которого получают, к примеру, напряжения U7 логического "0", если [U4 = f(t1)]>0, и напряжения U7 логической "1", если [U4 = F(t1)]<0.

Напряжение U6 = [f¹(t1)/f(t1) поступает на вход второго компаратора 8, на выходе которого получают, к примеру, напряжения U8 логического "0", если { U6 = [f¹(t1)/f(t1)] } <0, и напряжения U8 логической "1", если {U6 = [f¹(t1)/f(t1)]}>0.

Напряжение U7 и U8 поступают на второй и третий входы усилителя 11 с регулируемым коэффициентом передачи и управляют коэффициентом передачи. Второй вход используется в качестве блокировочного и либо позволяет устанавливать коэффициент передачи усилителя +/- 1, либо устанавливает напряжение на выходе усилителя 11 равным нулю. Третий вход усилителя 11 позволяет управлять знаком коэффициента передачи, делая его либо К = -1, либо К = +1.

На первый вход усилителя 11 с управляемым коэффициентом передачи поступает опорное напряжение U10 с выхода источника 10 опорного напряжения. Это напряжение U10 выбирают такой величины, чтобы оно ответствовало максимальному измеряемому сдвигу фаз, равному П = 180 град.

Если [U4 = f(t1)]>0, то на выходе усилителя 11 с регулируемым коэффициентом передачи получают напряжение U11 = 0 при любых напряжениях на его первом и третьем входах.

Если [U4 = f(t1)]<0, то на выходе усилителя 11 с регулируемым коэффициентом передачи получают напряжение U11 = U10 при условии, что напряжение на выходе первого блока 6 деления равно {U6 = [f¹(t1)/f(t1)]}<0 и получают напряжение U11 = -U10, при условии, что напряжение на выходе первого блока 6 деления равно {U6 = [f¹(t1)/f(t1)]}>0.

Напряжение U11 поступает на первый вход сумматора 12, на второй вход которого поступает напряжение U9 с выхода тригонометрического преобразователя, которое можно записывать как U9 = -arctg [f¹(t1)/f(t1)]. На выходе сумматора 12 получают напряжение U12, пропорциональное сумме U12 = U11+U9.

Таким образом, на выходе сумматора 12, то есть на выходе устройства, получают напряжение U_вых, соответствующее (1) и равное:
U_вых = (U10)n + U9=Пn-arctg[f¹(t1)/f(t1)],
где n = 0 при f(t1)>0;
n = 1 при f(t1)<0 и f¹(t1)<0;
n = 1 при f(t1)<0 и f¹(t1)>0.

Предлагаемое устройств имеет высокое быстродействие, так как измерения производят один раз в момент времени t1, при этом устройство имеет более простую конструкцию.

Устройство выполнено на стандартных элементах по известным схемам, приведенным в соответствующей литературе, к примеру, блоки 4 и 5 выборки и хранения приведены в (4а), в качестве формирователя 1 импульсов можно использовать преобразователь синусоидальных сигналов в сигналы прямоугольной формы (5) либо умножитель частоты на 2, описанный в (4б), блок 3 дифференцирования и сумматор 12 выполнены на операционных усилителях, как описано в (4в), первый и второй блоки 6 и 2 деления выполнены четырехквадрантными, как описано в (4г), компараторы 7 и 8 представлены в (4д), усилитель 11 с регулируемым коэффициентом передачи описан в (4е), в качестве тригонометрического преобразователя 9 можно использовать арктангенсный преобразователь, приведенный в (6).

Источники информации
1. Р. Кофлин, Ф.Дрискол. Операционные усилители и линейные интегральные схемы М.: Мир, 1979, с. 208-209.

2. Патент РФ N 2007736, Бюл. N 03, 1994. (прототип).

3. Патент РФ N 2037160, Бюл. N 16, 1995.

4. А. Г.Алексеенко, Е.А.Коломбет, Г.И.Стародуб. Применение прецизионных аналоговых ИС М.: Сов.радио, 1980: а) с. 179-182; б) с. 103; в) с. 77-84; г) с. 96-97; д) 168; е) с. 58.

5. Патент РФ N 2038690, Бюл. N 18, 1995.

6. Справочник по нелинейным схемам. Под ред. Д. Шуйнголда. М.: Мир, 1977, стр. 380.

Применение: в измерительной технике при определении фазочастотных характеристик четырехполюсника. Цель: повышение быстродействия. Сущность изобретения: измерения производят в одной точке временной оси. Устройство содержит формирователь 1 импульсов, второй блок 2 деления, блок 3 дифференцирования, первый и второй блоки 4 и 5 выборки и хранения, первый блок 6 деления, первый и второй компараторы 7 и 8, тригонометрический преобразователь 9, источник 10 опорного напряжения, усилитель 11 с регулируемым коэффициентом передачи, сумматор 12 с соответствующими связями. Положительный эффект: повышение быстродействия измерений для сдвигов фаз гармонических сигналов в интервале от -П до +П, упрощение конструкции. 1 ил.

Устройство для измерения сдвига фаз гармонических сигналов, содержащее формирователь импульсов, первый блок выборки и хранения, первый блок деления, тригонометрический преобразователь, источник опорного напряжения, усилитель с регулируемым коэффициентом передачи и сумматор, причем выходом устройства является выход сумматора, первый вход которого подключен к выходу усилителя с регулируемым коэффициентом передачи, первый вход устройства подключен к входу формирователя импульсов, выход которого подключен к управляющему входу первого блока выборки и хранения, выход которого подключен к первому входу первого блока деления, выход которого подключен к входу тригонометрического преобразователя, отличающееся тем, что в него введен второй блок деления, блок дифференцирования, второй блок выборки и хранения, первый и второй компараторы, причем второй вход второго блока деления является вторым входом устройства, первый вход которого подключен к первому входу второго блока деления, выход которого соединен с информационным входом первого блока выборки и хранения и входом блока дифференцирования, выход которого подключен к информационному входу второго блока выборки и хранения, управляющий вход которого подключен к выходу формирователя импульсов, выходы первого и второго блоков выборки и хранения подключены соответственно к входу первого компаратора и к второму входу первого блока деления, выход которого поключен к входу второго компаратора, выход источника опорного напряжения, выходы первого и второго компараторов подключены соответственно к первому, второму и третьему входам усилителя с регулируемым коэффициентом передачи, выход тригонометрического преобразователя подключен к второму входу сумматора.